Men heeft een dikke giftige atmosfeer, men heeft nauwelijks sfeer, en één is precies goed om het leven te laten bloeien - maar dat was niet altijd zo. De atmosferen van onze twee buren Venus en Mars kunnen ons veel leren over de scenario's uit het verleden en de toekomst voor onze eigen planeet.

Spoel 4,6 miljard jaar terug vanaf het heden tot de planetaire bouwwerf, en we zien dat alle planeten een gemeenschappelijke geschiedenis delen:ze zijn allemaal geboren uit dezelfde wervelende wolk van gas en stof, met de pasgeboren zon ontstoken in het midden. Traag maar zeker, met behulp van de zwaartekracht, stof verzamelde zich in rotsblokken, uiteindelijk sneeuwballen in entiteiten ter grootte van een planeet.

Rotsachtig materiaal is bestand tegen de hitte die het dichtst bij de zon staat, terwijl gasachtig, ijzig materiaal kon alleen verder weg overleven, waardoor de binnenste terrestrische planeten en de buitenste gas- en ijsreuzen ontstaan, respectievelijk. De overblijfselen maakten asteroïden en kometen.

De atmosferen van de rotsplaneten werden gevormd als onderdeel van het zeer energetische bouwproces, meestal door uitgassen terwijl ze afkoelden, met enkele kleine bijdragen van vulkaanuitbarstingen en kleine levering van water, gassen en andere ingrediënten door kometen en asteroïden. Na verloop van tijd ondergingen de sferen een sterke evolutie dankzij een ingewikkelde combinatie van factoren die uiteindelijk leidden tot de huidige status, waarbij de aarde de enige bekende planeet is die leven ondersteunt, en de enige met vloeibaar water op het oppervlak vandaag.

We weten van ruimtemissies zoals ESA's Venus Express, die Venus tussen 2006 en 2014 vanuit een baan om de aarde observeerde, en Mars Express, onderzoekt de Rode Planeet sinds 2003, dat vloeibaar water ooit op onze zusterplaneten stroomde, te. Terwijl het water op Venus allang is weggekookt, op Mars is het ofwel ondergronds begraven of opgesloten in ijskappen. Nauw verbonden met het verhaal van water – en uiteindelijk met de grote vraag of er buiten de aarde leven had kunnen ontstaan ​​– is de toestand van de atmosfeer van een planeet. En daarmee verbonden, het samenspel en de uitwisseling van materiaal tussen de atmosfeer, oceanen en het rotsachtige binnenland van de planeet.

Planetaire recycling

Terug bij onze nieuw gevormde planeten, van een bal gesmolten gesteente met een mantel rond een dichte kern, ze zeiden af ​​te koelen. Aarde, Venus en Mars hebben in deze vroege dagen allemaal ontgassingsactiviteit ervaren, die de eerste jongen vormden, warme en dichte atmosfeer. Omdat deze atmosferen ook afkoelden, de eerste oceanen regenden uit de lucht.

Op een bepaald moment, Hoewel, de kenmerken van de geologische activiteit van de drie planeten liepen uiteen. Het solide deksel van de aarde barstte in platen, op sommige plaatsen duiken onder een andere plaat in subductiezones, en op andere plaatsen botsen om enorme bergketens te creëren of uit elkaar te trekken om gigantische kloven of nieuwe korst te creëren. De tektonische platen van de aarde bewegen nog steeds, die aanleiding geven tot vulkaanuitbarstingen of aardbevingen aan hun grenzen.

Venus, die slechts iets kleiner is dan de aarde, kan vandaag nog steeds vulkanische activiteit hebben, en het oppervlak lijkt zo recent als een half miljard jaar geleden weer opgedoken te zijn met lava. Tegenwoordig heeft het geen waarneembaar plaattektonieksysteem; de vulkanen werden waarschijnlijk aangedreven door thermische pluimen die door de mantel opstegen - gecreëerd in een proces dat kan worden vergeleken met een 'lavalamp', maar op gigantische schaal.

Mars, veel kleiner zijn, sneller afgekoeld dan de aarde en Venus, en toen zijn vulkanen uitstierven, verloor het een belangrijk middel om zijn atmosfeer aan te vullen. Maar het heeft nog steeds de grootste vulkaan in het hele zonnestelsel, het 25 kilometer hoge Olympus Mons, waarschijnlijk ook het resultaat van een continue verticale opbouw van de korst door pluimen die van onderaf opstijgen. Ook al is er bewijs voor tektonische activiteit in de afgelopen 10 miljoen jaar, en zelfs af en toe een marsbeving in de huidige tijd, de planeet wordt ook niet verondersteld een aardachtig tektonisch systeem te hebben.

Het is niet alleen de mondiale platentektoniek die de aarde speciaal maakt, maar de unieke combinatie met oceanen. Vandaag onze oceanen, die ongeveer tweederde van het aardoppervlak bedekken, veel van de warmte van onze planeet absorberen en opslaan, transporteren het langs stromingen over de hele wereld. Terwijl een tektonische plaat in de mantel wordt gesleept, het warmt op en geeft water en gassen vrij die vastzitten in de rotsen, die op hun beurt door de hydrothermale openingen op de oceaanbodem sijpelen.

Er zijn extreem winterharde levensvormen gevonden in dergelijke omgevingen op de bodem van de oceanen van de aarde, aanwijzingen geven over hoe het vroege leven kan zijn begonnen, en wetenschappers aanwijzingen te geven over waar ze elders in het zonnestelsel moeten kijken:Jupiters maan Europa, of Saturnus' ijzige maan Enceladus bijvoorbeeld, die oceanen van vloeibaar water onder hun ijzige korsten verbergen, met bewijs van ruimtemissies zoals Cassini die suggereert dat hydrothermische activiteit aanwezig kan zijn.

Bovendien, platentektoniek helpt onze atmosfeer te moduleren, het reguleren van de hoeveelheid koolstofdioxide op onze planeet over lange tijdschalen. Wanneer atmosferisch koolstofdioxide zich vermengt met water, koolzuur wordt gevormd, die op zijn beurt stenen oplost. Regen brengt het koolzuur en calcium naar de oceanen - koolstofdioxide wordt ook direct in oceanen opgelost - waar het terug naar de oceaanbodem wordt gefietst. Bijna de helft van de geschiedenis van de aarde bevatte de atmosfeer heel weinig zuurstof. Oceanische cynobacteriën waren de eersten die de energie van de zon gebruikten om koolstofdioxide om te zetten in zuurstof, een keerpunt in het verschaffen van de atmosfeer die veel verder langs de lijn het complexe leven liet bloeien. Zonder de planetaire recycling en regulering tussen de mantel, oceanen en atmosfeer, De aarde is misschien meer als Venus geëindigd.

Extreem broeikaseffect

Venus wordt soms de boze tweelingbroer van de aarde genoemd omdat het bijna even groot is, maar wordt geplaagd door een dikke, schadelijke atmosfeer en een zinderend oppervlak van 470ºC. De hoge druk en temperatuur zijn heet genoeg om lood te smelten - en het ruimtevaartuig te vernietigen dat erop durft te landen. Dankzij de dichte atmosfeer, het is zelfs heter dan planeet Mercurius, die dichter bij de zon draait. De dramatische afwijking van een aardachtige omgeving wordt vaak gebruikt als een voorbeeld van wat er gebeurt in een op hol geslagen broeikaseffect.

De belangrijkste warmtebron in het zonnestelsel is de energie van de zon, die het oppervlak van een planeet opwarmt, en dan straalt de planeet energie terug de ruimte in. Een atmosfeer vangt een deel van de uitgaande energie op, warmte vasthouden – het zogenaamde broeikaseffect. Het is een natuurlijk fenomeen dat helpt bij het reguleren van de temperatuur van een planeet. Als er geen broeikasgassen waren zoals waterdamp, kooldioxide, methaan en ozon, De oppervlaktetemperatuur van de aarde zou ongeveer 30 graden koeler zijn dan het huidige gemiddelde van +15ºC.

In de afgelopen eeuwen is mensen hebben dit natuurlijke evenwicht op aarde veranderd, versterking van het broeikaseffect sinds het begin van de industriële activiteit door extra koolstofdioxide bij te dragen samen met stikstofoxiden, sulfaten en andere sporengassen en stof- en rookdeeltjes in de lucht. De langetermijneffecten op onze planeet zijn onder meer de opwarming van de aarde, zure regen en de aantasting van de ozonlaag. De gevolgen van een opwarmend klimaat zijn verstrekkend, die mogelijk van invloed zijn op zoetwaterbronnen, wereldwijde voedselproductie en zeeniveau, en het veroorzaken van een toename van extreme weersomstandigheden.

Er is geen menselijke activiteit op Venus, maar het bestuderen van de atmosfeer biedt een natuurlijk laboratorium om een ​​op hol geslagen broeikaseffect beter te begrijpen. Op een bepaald moment in zijn geschiedenis, Venus begon te veel warmte vast te houden. Er werd ooit gedacht dat het oceanen zoals de aarde herbergde, maar de toegevoegde warmte veranderde water in stoom, en op zijn beurt, extra waterdamp in de atmosfeer hield steeds meer warmte vast totdat hele oceanen volledig waren verdampt. Venus Express toonde zelfs aan dat er vandaag de dag nog steeds waterdamp ontsnapt uit de atmosfeer van Venus en de ruimte in.

Venus Express ontdekte ook een mysterieuze laag zwaveldioxide op grote hoogte in de atmosfeer van de planeet. Zwaveldioxide wordt verwacht van de uitstoot van vulkanen - tijdens de missie van de missie registreerde Venus Express grote veranderingen in het zwaveldioxidegehalte van de atmosfeer. Dit leidt tot zwavelzuurwolken en -druppels op een hoogte van ongeveer 50-70 km - alle resterende zwaveldioxide moet worden vernietigd door intense zonnestraling. Het was dus een verrassing voor Venus Express om op ongeveer 100 km een ​​laag van het gas te ontdekken. Er werd vastgesteld dat door verdampende zwavelzuurdruppels gasvormig zwavelzuur vrijkomt dat vervolgens wordt afgebroken door zonlicht, waarbij het zwaveldioxidegas vrijkomt.

De observatie draagt ​​bij aan de discussie wat er zou kunnen gebeuren als grote hoeveelheden zwaveldioxide in de atmosfeer van de aarde worden geïnjecteerd - een voorstel om de effecten van het veranderende klimaat op aarde te verzachten. Het concept werd gedemonstreerd bij de vulkaanuitbarsting van 1991 op de berg Pinatubo op de Filippijnen, toen zwaveldioxide uit de uitbarsting werd uitgestoten, ontstonden kleine druppeltjes geconcentreerd zwavelzuur - zoals die in de wolken van Venus - op ongeveer 20 km hoogte. Hierdoor ontstond een waaslaag en koelde onze planeet wereldwijd enkele jaren af ​​met ongeveer 0,5ºC. Omdat deze waas warmte reflecteert, is voorgesteld dat een manier om de mondiale temperatuur te verlagen zou zijn om kunstmatig grote hoeveelheden zwaveldioxide in onze atmosfeer te injecteren. Echter, de natuurlijke effecten van Mt Pinatubo boden slechts een tijdelijk verkoelend effect. Het bestuderen van de enorme laag zwavelzuurwolkdruppels op Venus biedt een natuurlijke manier om de effecten op langere termijn te bestuderen; een aanvankelijk beschermende waas op grotere hoogte zou uiteindelijk weer worden omgezet in gasvormig zwavelzuur, die transparant is en alle zonnestralen doorlaat. Om nog maar te zwijgen over de bijwerking van zure regen, die op aarde schadelijke effecten kunnen hebben op de bodem, planten en water.

Wereldwijde bevriezing

Onze andere buurman, Mars, ligt aan een ander uiterste:hoewel de atmosfeer ook overwegend uit koolstofdioxide bestaat, vandaag heeft het er bijna geen, met een totaal atmosferisch volume van minder dan 1% van dat van de aarde.

De bestaande atmosfeer van Mars is zo dun dat hoewel koolstofdioxide condenseert tot wolken, het kan niet voldoende energie van de zon vasthouden om het oppervlaktewater in stand te houden - het verdampt onmiddellijk aan het oppervlak. Maar met zijn lage druk en relatief zwoele temperaturen van -55ºC (variërend van -133ºC aan de winterpool tot +27ºC in de zomer), ruimtevaartuigen smelten niet op het oppervlak, waardoor we meer toegang hebben om zijn geheimen te ontdekken. Verder, dankzij het gebrek aan recycling van platentektoniek op de planeet, vier miljard jaar oude rotsen zijn direct toegankelijk voor onze landers en rovers die het oppervlak verkennen. Ondertussen zijn onze orbiters, inclusief Mars Express, die de planeet al meer dan 15 jaar onderzoekt, vinden voortdurend bewijs voor zijn eens stromende wateren, oceanen en meren, het geven van een verleidelijke hoop dat het ooit het leven zou hebben ondersteund.

Ook de Rode Planeet zou zijn begonnen met een dikkere atmosfeer dankzij de levering van vluchtige stoffen van asteroïden en kometen, en vulkanische ontgassing van de planeet terwijl het rotsachtige binnenste afkoelde. Het kon eenvoudigweg zijn atmosfeer niet vasthouden, waarschijnlijk vanwege zijn kleinere massa en lagere zwaartekracht. In aanvulling, de aanvankelijke hogere temperatuur zou meer energie hebben gegeven aan gasmoleculen in de atmosfeer, waardoor ze gemakkelijker kunnen ontsnappen. En, ook al vroeg in zijn geschiedenis zijn wereldwijde magnetische veld heeft verloren, de resterende atmosfeer werd vervolgens blootgesteld aan de zonnewind - een continue stroom geladen deeltjes van de zon - die, net als op Venus, blijft zelfs vandaag de atmosfeer wegnemen.

Met een verminderde atmosfeer, het oppervlaktewater bewoog ondergronds, kwamen alleen vrij als enorme plotselinge overstromingen toen de grond de grond verwarmde en het ondergrondse water en ijs vrijkwam. Het zit ook opgesloten in de poolkappen. Mars Express ontdekte onlangs ook een plas vloeibaar water begraven binnen twee kilometer van het oppervlak. Zou het bewijs van leven ook ondergronds kunnen zijn? Deze vraag staat centraal in Europa's ExoMars-rover, gepland om in 2020 te lanceren en in 2021 te landen om tot twee meter onder het oppervlak te boren om monsters op te halen en te analyseren op zoek naar biomarkers.

Men denkt dat Mars momenteel uit een ijstijd komt. zoals de aarde, Mars is gevoelig voor veranderingen in factoren zoals de helling van zijn rotatie-as terwijl hij om de zon draait; men denkt dat de stabiliteit van water aan het oppervlak in de loop van duizenden tot miljoenen jaren is veranderd doordat de axiale helling van de planeet en de afstand tot de zon cyclische veranderingen ondergaan. De ExoMars Trace Gas Orbiter, momenteel de Rode Planeet vanuit een baan om de aarde aan het onderzoeken, recentelijk gehydrateerd materiaal ontdekt in equatoriale gebieden dat vroegere locaties van de polen van de planeet in het verleden zou kunnen vertegenwoordigen.

De primaire missie van de Trace Gas Orbiter is om de atmosfeer van de planeet nauwkeurig te inventariseren, in het bijzonder de sporengassen die minder dan 1% uitmaken van het totale volume van de atmosfeer van de planeet. Van bijzonder belang is methaan, die op aarde grotendeels wordt geproduceerd door biologische activiteit, en ook door natuurlijke en geologische processen. Hints van methaan zijn eerder gemeld door Mars Express, en later door NASA's Curiosity-rover op het oppervlak van de planeet, maar de zeer gevoelige instrumenten van de Trace Gas Orbiter hebben tot nu toe een algemene afwezigheid van het gas gemeld, het mysterie verdiepen. Om de verschillende resultaten te bevestigen, wetenschappers onderzoeken niet alleen hoe methaan kan ontstaan, maar ook hoe het dicht bij de oppervlakte kan worden vernietigd. Niet alle levensvormen genereren methaan, echter, en de rover met zijn ondergrondse boor zal ons hopelijk meer kunnen vertellen. De voortdurende verkenning van de Rode Planeet zal ons zeker helpen begrijpen hoe en waarom het bewoonbaarheidspotentieel van Mars in de loop van de tijd is veranderd.

Verder verkennen

Ondanks dat we met dezelfde ingrediënten beginnen, De buren van de aarde leden verwoestende klimaatrampen en konden hun water niet lang vasthouden. Venus werd te heet en Mars te koud; alleen de aarde werd de 'Goldilocks'-planeet met de precies juiste omstandigheden. Kwamen we in een eerdere ijstijd dicht bij het worden van Mars? Hoe dicht zijn we bij het op hol geslagen broeikaseffect dat Venus teistert? Het begrijpen van de evolutie van deze planeten en de rol van hun atmosferen is enorm belangrijk voor het begrijpen van klimaatveranderingen op onze eigen planeet, aangezien uiteindelijk allemaal dezelfde natuurkundige wetten gelden. De gegevens die zijn teruggestuurd van ons ruimtevaartuig in een baan om de aarde, herinneren ons er natuurlijk aan dat klimaatstabiliteit niet iets vanzelfsprekends is.

In elk geval, op de zeer lange termijn – miljarden jaren in de toekomst – is een broeikasaarde een onvermijdelijk resultaat door toedoen van de ouder wordende zon. Onze eens levengevende ster zal uiteindelijk opzwellen en helderder worden, genoeg warmte in het delicate systeem van de aarde injecteren om onze oceanen te laten koken, hem langs hetzelfde pad sturen als zijn kwaadaardige tweelingbroer.