Hvernig Venus og Mars geta frætt okkur um jörðina

Þunnur bláhvítur boga yfir svartan bakgrunn með tveimur skærum punktum nálægt brúninni.

Tunglið, Mars og Venus rísa yfir sjóndeildarhring jarðar. Mynd í gegnumESA / NASA.


Þessi grein er endurprentuð frá Evrópsku geimferðastofnuninni (ESA)

Maður er með þykkt eitrað andrúmsloft, maður hefur varla andrúmsloft og maður á bara rétt á því að lífið blómstri - en það var ekki alltaf þannig. Andrúmsloft tveggja nágranna okkar Venus og Mars getur kennt okkur margt um fortíð og framtíðarsenu fyrir okkar eigin plánetu.


Spólið 4,6 milljörðum ára aftur í dag í dag að plánetugerðinni og við sjáum að allar pláneturnar eiga sameiginlega sögu: þær eru allar fæddar úr sama hringlaga gas- og rykskýi, þar sem nýfætt sólin kviknaði í miðjunni. Hægt en örugglega, með hjálp þyngdaraflsins, safnaðist ryk í grjót og snjóaði að lokum í aðila á stærð við plánetu.

Grýtt efni þoldi hitann næst sólinni en gaskennt, ískalt efni gæti aðeins lifað lengra í burtu og leitt til innri jarðar reikistjarna og ystu gas- og ísrisa. Afgangarnir gerðu smástirni og halastjörnur.

Andrúmsloft grýttra reikistjarnanna myndaðist sem hluti af mjög öflugu byggingarferlinu, aðallega með útblæstri þegar þeir kólnuðu, með smá framlögum frá eldgosum og minniháttar afhendingu á vatni, lofttegundum og öðruinnihaldsefni halastjarna og smástirna. Með tímanum fór andrúmsloftið í gegnum mikla þróun þökk sé flókinni samsetningu þátta sem leiddi að lokum til núverandi stöðu þar sem jörðin var eina þekkta reikistjarnan sem studdi lífið og sú eina með fljótandi vatn á yfirborði þess í dag.

Við vitum frá geimverkefnum eins og Venus Express ESA, sem fylgdist með Venus frá sporbraut milli 2006 og 2014, og Mars Express, sem rannsakaði rauðu reikistjörnuna síðan 2003, að fljótandi vatn rann líka á systurplánetur okkar. Þó að vatnið á Venus sé löngu soðið í burtu, á Mars er það annaðhvortgrafinn neðanjarðareða læst inniíshettur. Náttúrulega tengt sögunni um vatn - og að lokum stóru spurningunni um hvort líf gæti hafa risið handan jarðar - er ástand lofthjúps plánetunnar. Og í tengslum við það, samspil og skipti á efni milli andrúmsloftsins og höfanna og grýttra innanhúss plánetunnar.




4 kúlur: 2 minni gráleit kúlur að utan, stærri gullna kúlu og blágræn kúla í miðjunni.

Samanburður á 4 jarðneskum (sem þýðir „jarðlíkar“) reikistjörnur innra sólkerfis okkar: Merkúríus, Venus, jörðin og Mars. Mynd í gegnumÞETTA.

Endurvinnsla á plánetu

Aftur á nýmyndaðar pláneturnar okkar, úr kúlu úr bráðnu bergi með möttul sem umlykur þéttan kjarna, byrjuðu þeir að kólna. Jörðin, Venus og Mars upplifðu öll útblástur í þessum árdögum sem mynduðu fyrstu ungu, heitu og þéttu andrúmsloftið. Þar sem þessi andrúmsloft kólnaði líka rigndi fyrstu höfunum úr himninum.

Á einhverju stigi var þó misjafnt hvað einkennir jarðfræðilega virkni reikistjarnanna þriggja. Föst lok jarðar sprungu í plötur, sums staðar að kafa undir annan disk á niðurfellingarsvæðum og á öðrum stöðum rekast á til að búa til mikla fjallgarða eða draga sig í sundur til að búa tilrisasprungureða nýja skorpu. Jarðartektónískum plötumeru enn á hreyfingu í dag og valda eldgosum eða jarðskjálftum við mörk þeirra.


Venus, sem er aðeins örlítið minni en jörðin, kann enn að hafaeldvirkni í dag, og yfirborð þess virðist hafa komið upp með hraunum upp á síðkastið fyrir hálfum milljarði ára síðan. Í dag hefur það ekkert greinanlegt plötutæknikerfi; eldfjöllin voru líklega knúin áfram af hitauppstreymi sem steig í gegnum möttulinn - búið til í ferli sem líkja má við „hraunlampa“ en í risastórum skala.

Löng lóðrétt mynd af miðju gulu kúlu og efri og neðri brún hennar.

Mars frá sjóndeildarhring til sjóndeildarhring. Mynd í gegnumESA / DLR / FU Berlín

Mars, þar sem hún var miklu minni, kólnaði hraðar en jörðin og Venus, og þegar eldfjöll hennar voru útdauð missti hún lykilatriði til að bæta lofthjúp sinn. En það státar samt af stærsta eldfjalli í öllu sólkerfinu, hinum 16 mílna (25 km) háa Olympus Mons, líklega of afleiðing af stöðugri lóðréttri uppbyggingu jarðskorpunnar frá plómum sem rísa neðan frá. Jafnvel þó svo sévísbendingar um tektóníska virkniá síðustu 10 milljónum ára, og jafnvel einstaka sinnummarsquakeí nútímanum er heldur ekki talið að jörðin hafi jarðtengd kerfi.

Það er ekki bara hnattræn plötutækni ein og sér sem gerir jörðina sérstaka, heldur einstaka samsetning hafsins. Í dag taka höf okkar, sem þekja um það bil tvo þriðju af yfirborði jarðar, upp og geyma mikið af hita plánetunnar okkar og flytja hana eftir straumum um allan heim. Þegar tektónísk plata er dregin niður í möttulinn hitnar hún og losar vatn og lofttegundir sem eru fastar í klettunum sem síðan renna í gegnum vatnshitaop á hafsbotni.


Ákaflega harðgerðar lífsform hafa fundist í slíku umhverfi við botn hafsins, sem gefur vísbendingar um hversu snemma lífið gæti hafist og gaf vísindamönnum vísbendingar um hvert eigi að leita annars staðar í sólkerfinu: tungl JúpítersEvrópu, eða ískalt tungl SatúrnusarEnceladustil dæmis, sem leyna höfum fljótandi vatns undir ísköldum skorpum sínum, með vísbendingum frá geimferðum eins og Cassini bendir tilvatnshitavirknikunna að vera til staðar.

Þar að auki hjálpar plötutækni að stilla andrúmsloft okkar og stjórna magni koldíoxíðs á plánetunni okkar yfir langan tíma. Þegar koltvísýringur í andrúmslofti sameinast vatni myndast kolsýra sem aftur leysir upp steina. Rigning færir kolsýru og kalsíum til hafsins - koldíoxíð er einnig leyst upp beint í höfunum - þar sem það er hjólað aftur í hafsbotninn. Í næstum helmingi sögu jarðar innihélt lofthjúpurinn mjög lítið súrefni. Oceanic cynobacteria voru fyrstu til að nota orku sólarinnar til að breyta koltvísýringi í súrefni, tímamót í því að veita andrúmsloftinu sem mun lengra niður á línuna leyfði flóknu lífi að blómstra. Án endurvinnslu og reglugerðar á jörðinni milli möttulsins, höfanna og lofthjúpsins gæti jörðin hafa endað meira eins og Venus.

Mikil gróðurhúsaáhrif

Venus er stundum nefndur illi tvíburi jarðar vegna þess að hann er næstum jafnstór en þjakaður af þykku skaðlegu andrúmslofti og sverandi 470 ° C (878 F) yfirborði. Háþrýstingur hennar og hitastig er nógu heitt til að bræða blý - og eyðileggja geimfarið sem þorir að lenda á því. Þökk sé þéttu andrúmslofti hennar er það enn heitara en plánetan Merkúríus sem snýr að sólinni. Stórkostlegt frávik þess frá umhverfi sem líkist jörðinni er oft notað sem dæmi um það sem gerist í flótta gróðurhúsaáhrifum.

Blá kúla með þykkum, aflangum skýjum, svörtum bakgrunni.

Verið velkomin til Venusar, ills tvíbura jarðar. Mynd í gegnumESA / MPS / DLR-PF / IDA.

Helsti varmagjafi sólkerfisins er orka sólarinnar, sem hitar yfirborð plánetunnar og síðan geislar reikistjarnan orku aftur út í geiminn. Andrúmsloft geymir hluta af orkunni, heldur hita-svokölluð gróðurhúsaáhrif. Það er náttúrulegt fyrirbæri sem hjálpar til við að stjórna hitastigi plánetunnar. Ef það væri ekki gróðurhúsalofttegundir eins og vatnsgufa, koldíoxíð, metan og óson, væri yfirborðshiti jarðar um 30 gráðum kaldari en núverandi 59 gráður Fahrenheit (15 gráður) að meðaltali.

Undanfarnar aldir hafa menn breytt þessu náttúrulega jafnvægi á jörðinni og styrkt gróðurhúsaáhrifin síðan iðnaðarstarfsemi hófst með því að leggja til viðbótar koldíoxíð ásamt köfnunarefnisoxíðum, súlfötum og öðrum snefiltegundum og ryki og reykagnir í loftið. Langtímaáhrifin á plánetuna okkar eru meðal annars hlýnun jarðar, súr rigning og eyðing ósonlagsins. Afleiðingar hlýnandi loftslags eru víðtækar, geta hugsanlega haft áhrif á ferskvatnsauðlindir, matvælaframleiðslu á heimsvísu og sjávarborð og valda aukningu á atburðum í miklum veðrum.

Það er engin mannleg virkni á Venus, en rannsókn á andrúmslofti hennar veitir náttúrulega rannsóknarstofu til að skilja betur gróðurhúsaáhrif sem eru á flótta. Á einhverjum tímapunkti í sögu sinni byrjaði Venus að veiða of mikinn hita. Það var einu sinni talið að það myndi hýsa höf eins og jörðina, en viðbættur hiti breytti vatni í gufu og aftur á móti festi viðbótar vatnsgufa í andrúmsloftinu meiri og meiri hita þar til heil höf gufaði alveg upp. Venus Express sýndi það meira að segjavatnsgufa sleppur ennfrá lofthjúpi Venusar og út í geim í dag.

Venus Express uppgötvaði einnig dularfullt lag af brennisteinsdíoxíði í mikilli hæð í lofthjúpi plánetunnar. Búist er við brennisteinsdíoxíði frá losun eldfjalla - á meðan Venus Express hefur skráð verkefniðmiklar breytingar á brennisteinsdíoxíðiinnihald andrúmsloftsins. Þetta leiðir til brennisteinssýruskýja og dropa í um 50-70 km hæð-allt brennisteinsdíoxíð sem eftir er ætti að eyðileggjast með mikilli sólargeislun. Þannig að það kom á óvart fyrir Venus Express að uppgötva lag af gasinu í um 100 mílur. Það var ákveðið að gufa brennisteinssýru dropar lausa gaslausa brennisteinssýru sem síðan er sundur sundur með sólarljósi og losar brennisteinsdíoxíðgasið.

Athugunin bætir við umræðuna hvað gæti gerst efmiklu magni af brennisteinsdíoxíði er sprautað í lofthjúp jarðar- tillaga um hvernig hægt er að draga úr áhrifum breytts loftslags á jörðina. Hugmyndin var sýnd frá 1991eldgos í fjallinu Pinatuboá Filippseyjum, þegar brennisteinsdíoxíð sem kastaðist úr gosinu skapaði litla dropa af einbeittri brennisteinssýru - eins og þær sem finnast í skýjum Venusar - í um 20 mílna hæð. Þetta myndaði þokulag og kældi plánetuna okkar á heimsvísu umum .9 gráður Fahrenheit (.5 gráður C) í nokkur ár. Vegna þess að þessi þoka endurspeglar hita hefur verið lagt til að ein leið til að lækka hitastig á heimsvísu væri að dæla tilbúnu miklu magni af brennisteinsdíoxíði í lofthjúp okkar. Hins vegar bauð náttúruleg áhrif Pinatubo -fjalls aðeins tímabundin kælinguáhrif. Að rannsaka gífurlegt lag af brennisteinssýruskýjum í Venus býður upp á náttúrulega leið til að rannsaka áhrif til lengri tíma; upphaflega verndandi þoku í meiri hæð myndi að lokum breytast aftur í loftkenndan brennisteinssýru, sem er gagnsæ og hleypir öllum sólargeislum í gegn. Að ógleymdum aukaverkunum súrrar rigningar, sem á jörðinni geta haft skaðleg áhrif á jarðveg, plöntulíf og vatn.

Mjög stórt blátt segulhvolf jarðar með mjög litlum appelsínugulum kringum Venus og Mars.

Magnetospheres á jörðinni. Mynd í gegnumÞETTA.

Alheimsfrysting

Hinn náungi okkar, Mars, liggur á annarri öfgum: þrátt fyrir að andrúmsloft hennar sé einnig aðallega koltvísýringur, þá hefur hann í dag varla neitt, en heildarrúmmál í andrúmslofti er minna en 1 prósent af jörðu.

Núverandi lofthjúpur Mars er svo þunnur að þrátt fyrir að koldíoxíð þéttist í ský, getur það ekki haldið nægri orku frá sólinni til að viðhalda yfirborðsvatni - það gufar upp samstundis við yfirborðið. En með lágum þrýstingi og tiltölulega mildu hitastigi -67 gráður á Fahrenheit (-55 gráður) -allt frá -207,4 gráður Fahrenheit (-133 gráður) við vetrarstöngina upp í 80 gráður Fahrenheit (27 gráður) á sumrin, geimfar ekki bráðna á yfirborði þess og leyfa okkur meiri aðgang að afhjúpa leyndarmál þess. Þar að auki, þökk sé skorti á endurvinnsluplötutækni á jörðinni, eru fjögurra milljarða ára gamlir steinar beint aðgengilegir fyrir landara okkar og flakkara sem kanna yfirborð hennar. Á meðan eru sporbrautir okkar, þ.m.t.Mars Express, sem hefur rannsakað plánetuna í meira en 15 ár, eru stöðugt að finna vísbendingar um vatn, haf og vötn sem áður runnu og gefa spennandi von um að hún gæti einu sinni stutt lífið.

Rauða reikistjarnan hefði líka byrjað með þykkara andrúmslofti þökk sé afhendingu rokgjarnra frá smástirnum og halastjörnum og eldgosi frá jörðinni þegar grýtt innra hennar kólnaði. Það einfaldlegagat ekki haldið í andrúmsloftiðlíklegast vegna minni massa þess og lægri þyngdarafl. Að auki hefði upphaflega hærra hitastig hennar gefið meiri orku fyrir gas sameindir í andrúmsloftinu og gert þeim kleift að flýja auðveldara. Og, eftir að hafa einnig misst hnattrænt segulsvið sitt snemma í sögu sinni, varð andrúmsloftið sem eftir var orðið fyrir sólvindinum - samfellt flæði hlaðinna agna frá sólinni - sem, rétt eins og á Venus, heldur áfram að fjarlægja lofthjúpinn enn í dag .

Með minnkandi andrúmslofti færðist yfirborðsvatnið niður í jörðina, losnaði sem miklir flóðflóð aðeins þegar högg hituðu jörðina og losuðu vatnið og ísinn. Það er einnig læst í skautunum. Mars Express uppgötvaði einnig nýlega laug af fljótandi vatni sem var grafið innan við 2 km frá yfirborðinu. Gætu sönnunargögn um lífið líka verið neðanjarðar? Þessi spurning er kjarninn í EvrópuExoMars flakkari, áætlað að hefja árið 2020 og lenda árið 2021 til að bora allt að 2 metra undir yfirborði til að sækja og greina sýni í leit að lífmerkjum.

Talið er að Mars sé núað koma úr ísöld. Eins og jörðin er Mars næmur fyrir breytingum á þáttum eins og halla snúningsásar hans þegar hann snýst um sólina; það er talið að stöðugleiki vatns á yfirborðinu hafi verið breytilegur í þúsundir til milljóna ára þegar axial halla plánetunnar og fjarlægð hennar frá sólinni verða fyrir hringrásarbreytingum. ExoMars Trace Gas sporbrautin, sem rannsakar nú rauðu plánetuna úr sporbraut, fannst nýlegavökvað efniá miðbaugssvæðum sem gætu táknað fyrrum staðsetningar skauta plánetunnar í fortíðinni.

Aðalverkefni Trace Gas Orbiter er að gera nákvæma skrá yfir lofthjúp plánetunnar, einkum snefilgastegundir sem eru innan við 1 prósent af heildarmagni lofthjúps plánetunnar. Sérstaklega áhugavert er metan, sem á jörðinni er framleitt að miklu leyti með líffræðilegri virkni, og einnig með náttúrulegum og jarðfræðilegum ferlum.Vísbendingar um metanhefur áður verið tilkynnt af Mars Express, og síðar af Curiosity Curver NASA á yfirborði plánetunnar, en mjög viðkvæm tæki frá Trace Gas Orbiter hafa hingað til greint fráalmenn fjarveru gasins, dýpka ráðgátuna. Til að staðfesta mismunandi niðurstöður eru vísindamenn ekki aðeins að rannsakahvernig metan gæti orðið til, en einnig hvernig það gæti eyðilagstnálægt yfirborðinu. Hins vegar mynda ekki allar lífsform metan og flakkarinn með neðanjarðar borvélinni mun vonandi geta sagt okkur meira. Vissulega mun áframhaldandi könnun á rauðu plánetunni hjálpa okkur að skilja hvernig og hvers vegna búsetumöguleikar Mars hafa breyst með tímanum.

Tannish áferðarsvæði með hlykkjóttum þverám.

Þurrkað árdalnet á Mars. Mynd í gegnumESA / DLR / FU Berlín.

Kannar lengra

Þrátt fyrir að byrja með sama innihaldsefnið urðu nágrannar jarðar fyrir skelfilegu loftslagsslysi og gátu ekki haldið vatni sínu lengi. Venus varð of heit og Mars of kaldur; aðeins jörðin varð „Goldilocks“ reikistjarnan með réttum aðstæðum. Vorum við nálægt því að verða Mars-líkir á fyrri ísöld? Hversu nálægt erum við flótta gróðurhúsaáhrifin sem herja á Venus? Að skilja þróun þessara reikistjarna og hlutverk andrúmslofts þeirra er gríðarlega mikilvægt til að skilja loftslagsbreytingar á okkar eigin plánetu þar sem að lokum sömu eðlisfræðilögmálin stjórna öllum. Gögnin sem skilað er frá geimfar okkar á braut gefa náttúrulegar áminningar um að stöðugleiki í loftslagi sé ekki sjálfsagður hlutur.

Engu að síður, til lengri tíma litið - milljarða ára fram í tímann - er gróðurhús jarðar óhjákvæmileg niðurstaða í höndum öldrunar sólarinnar. Stjarna okkar, sem gaf lífið, mun að lokum bólgna og bjartast, dæla nægjanlegum hita inn í viðkvæmt kerfi jarðar til að sjóða höf okkar og senda það niður á sömu braut og illi tvíburi hennar.

Niðurstaða: Andrúmsloft reikistjarnanna Mars og Venus getur kennt okkur margt um fyrri og framtíðaraðstæður fyrir jörðina.