Kuidas saavad Veenus ja Mars meile Maa kohta õpetada

Maa horisondi kohal tõusevad kuu, Marss ja Veenus. Pilt ESA / NASA kaudu.

See artikkel on kordustrükk Euroopa Kosmoseagentuuris (ESA)

Ühel on paks mürgine õhkkond, teisel pole üldse atmosfääri ja teisel on lihtsalt õigus õitseda - kuid see ei olnud alati nii. Meie kahe naabri Veenuse ja Marsi atmosfäär võib meile palju õpetada meie enda planeedi mineviku ja tulevikustsenaariumide kohta.

Pöörake tagasi 4, 6 miljardit aastat tänapäevast planeetide ehituse aeda ja näeme, et kõigil planeetidel on ühine ajalugu: nad kõik on sündinud samast pöörlevast gaasi- ja tolmupilvest ning vastsündinud päike on keskmes süttinud. Aeglaselt, kuid kindlalt koguneb rändrahnudesse tolmu ja raputab rändrahnud lõpuks lumepalliks planeedi suuruseks.

Kivine materjal talus päikesele kõige lähedasemat kuumust, gaasiline jäine materjal võis ellu jääda vaid kaugemal, andes tulemuseks vastavalt sisemised maapealsed planeedid ning äärepoolseimad gaasi- ja jäähiiglased. Ülejäänud tegid asteroide ja komeete.

Kiviste planeetide atmosfäär moodustus osana väga energeetilisest ehitusprotsessist, enamasti jahtumisel tekkiva gaasi tekkega, kusjuures vulkaanipursked olid vähesed ning vesi, gaasid ja muud koostisosad toimusid komeetide ja asteroidide poolt. Aja jooksul on atmosfäärides toimunud tugev areng tänu keerukale tegurite kombinatsioonile, mis viis lõpuks praeguse staatuseni. Maa oli ainus teadaolev elu toetav planeet ja ainus, mille pinnal on tänapäeval vedel vesi.

Kosmoseülesannetest, nagu ESA Venus Express, mis vaatles Veenust orbiidil aastatel 2006–2014, ja Mars Expressi, kes uuris punast planeeti alates 2003. aastast, me teame, et vedel vesi voolas kord ka meie õdede planeetidel. Kui Veenuse vesi on juba ammu keema hakanud, siis Marsil on see kas maetud maa alla või lukustatud jääkappidesse. Veejutuga - ja lõpuks suure küsimusega, kas elu võis tekkida ka väljaspool Maad - on seotud planeedi atmosfääri seisund. Ja ühendatud sellega, atmosfääri ja ookeanide ning planeedi kivise interjööri omavaheline koosmõju ja vahetus.

Meie sisemise Päikesesüsteemi 4 maapealse (mis tähendab „Maa-taolist”) planeedi võrdlus: Merkuur, Veenus, Maa ja Mars. Pilt ESA kaudu.

Planeetide ringlussevõtt

Meie äsja moodustatud planeetide juures hakkasid tiheda südamiku ümbritseva sulaga kivi kuulist jahtuma. Neil esimestel päevadel kogesid Maa, Veenus ja Mars kõik õhku paiskavat tegevust, mis moodustas esimese noore, kuuma ja tiheda atmosfääri. Kuna ka need atmosfäärid jahtusid, vihmasid esimesed ookeanid taevast alla.

Kuid mõnel etapil erinesid kolme planeedi geoloogilise aktiivsuse omadused. Maa on plaatideks purustatud tahke kaanega, mõnes kohas sukeldumistsoonides teise plaadi all sukeldudes ja mujal põrkudes, et tekitada suuri mäestikke, või tõmbudes laiali, et tekitada hiiglaslikke lõhesid või uut koorikut. Maa tektoonilised plaadid liiguvad veel tänapäevalgi, põhjustades nende piiridel vulkaanipurskeid või maavärinaid.

Veenus, mis on Maast vaid pisut väiksem, võib tänapäevalgi vulkaanilist aktiivsust omada ja näib, et selle pind on juba pool miljardit aastat tagasi laavadega uuesti üles ehitatud. Täna pole sellel märgatavat plaaditektoonikasüsteemi; selle vulkaanide toiteks olid tõenäoliselt vahevööst tõusvad termilised voolud, mis tekkisid protsessis, mida saab võrrelda “laavalambiga”, kuid hiiglaslikus mõõtkavas.

Marss horisondist horisondini. Pilt ESA / DLR / FU kaudu Berliinis

Kuna Mars oli palju väiksem, jahtus see kiiremini kui Maa ja Veenus ning kui tema vulkaanid väljasurevad, kaotas see peamise võimaluse atmosfääri täiendamiseks. Kuid sellel on endiselt kogu Päikesesüsteemi suurim vulkaan, 25 miili kõrgune Olympus Mons, tõenäoliselt ka kooriku püsiva püstise vertikaalse moodustumise tagajärjel alt ülespoole tõusvatest ploomidest. Ehkki viimase 10 miljoni aasta jooksul on olemas tektoonilise aktiivsuse tõendeid ja isegi praegusel ajal aeg-ajalt aset leidnud maavärinat, ei arvata, et ka planeedil oleks Maa-tüüpi tektoonikasüsteemi.

Maa ei erista ainult globaalne plaadtektoonika, vaid ainulaadne kombinatsioon ookeanidega. Täna neelavad ja salvestavad meie ookeanid, mis katavad umbes kaks kolmandikku Maa pinnast, suure osa meie planeedi kuumusest, kandes seda mööda voolusid ümber maakera. Kui tektooniline plaat tõmmatakse vahevöösse, soojeneb see ja vabastab kividesse kinni jäänud vett ja gaase, mis omakorda imbub läbi ookeani põhja hüdrotermiliste õhuavade.

Sellistest keskkondadest on Maa ookeanide põhjas leitud äärmiselt vastupidavaid eluvorme, mis annavad vihjeid selle kohta, kui varane elu võib olla alguse saanud, ning annavad teadlastele näpunäiteid, kuhu päikesesüsteemi mujalt vaadata: Jupiteri kuu Europa või Saturni jäine kuu Enceladus näiteks mis varjavad jäise kooriku all vedelat vett ookeanides, ning kosmosemissioonide (nt Cassini) näited võivad viidata hüdrotermilisele aktiivsusele.

Lisaks aitab plaaditektoonika meie atmosfääri moduleerida, reguleerides süsinikdioksiidi kogust meie planeedil pika aja jooksul. Kui atmosfääri süsinikdioksiid kombineerub veega, moodustub süsihape, mis omakorda lahustab kivimid. Vihm viib ookeanidesse süsihappe ja kaltsiumi - süsinikdioksiid lahustub ka otse ookeanides - seal suunatakse see tagasi ookeani põhja. Ligi pool Maa ajaloost sisaldas atmosfäär väga vähe hapnikku. Ookeanilised tsünobakterid kasutasid esimestena päikese energiat süsihappegaasi muundamiseks hapnikuks - pöördepunktiks atmosfääri loomisel, mis joonest palju kaugemal laskis keerulisel elul õitseda. Ilma planeedi ümbertöötlemise ja vahevöö, ookeanide ja atmosfääri vahelise reguleerimiseta võis Maa lõppeda Veenusega.

Äärmiselt kasvuhooneefekt

Veenust nimetatakse mõnikord Maa kurjaks kaksikuks, kuna see on peaaegu sama suur, kuid vaevab paksu kahjuliku atmosfääri ja paisuva 470ºC (878 F) pinnaga. Selle kõrge rõhk ja temperatuur on piisavalt kuum, et sulatada pliid - ja hävitada kosmoseaparaat, mis julgeb sellele maanduda. Tänu tihedale atmosfäärile on see veelgi kuumem kui planeet Merkuur, mis tiirleb päikesele lähemal. Selle dramaatilist kõrvalekaldumist Maa-sarnasest keskkonnast kasutatakse sageli näitena, mis juhtub põgeneva kasvuhooneefekti korral.

Tere tulemast Veenusesse, Maa kurjusesse. Pilt ESA / MPS / DLR-PF / IDA kaudu.

Päikesesüsteemi peamine soojusallikas on päikeseenergia, mis soojendab planeedi pinda ülespoole ja seejärel kiirgab planeet energiat tagasi kosmosesse. Atmosfäär püüab osa väljuvast energiast kinni, säilitades soojuse - nn kasvuhooneefekti. See on loodusnähtus, mis aitab planeedi temperatuuri reguleerida. Kui tegemist ei oleks kasvuhoonegaasidega, nagu veeaur, süsinikdioksiid, metaan ja osoon, oleks Maa pinnatemperatuur umbes 30 kraadi jahedam kui praegu on 59 kraadi Fahrenheiti (15 kraadi C).

Inimesed on viimase sajandite jooksul seda looduslikku tasakaalu Maal muutnud, tugevdades kasvuhooneefekti alates tööstustegevuse algusest, lisades õhku täiendavat süsinikdioksiidi, lämmastikoksiide, sulfaate ja muid mikrogaase ning tolmu ja suitsuosakesi. Pikaajaliste mõjude hulka meie planeedil kuuluvad globaalne soojenemine, happevihmad ja osoonikihi kahanemine. Sooja kliima tagajärjed on kaugeleulatuvad, mõjutades potentsiaalselt mageveevarusid, ülemaailmset toidutoodangut ja merepinda ning põhjustades äärmuslike ilmastikunähtuste suurenemist.

Veenusel inimtegevus puudub, kuid selle atmosfääri uurimine annab loodusliku labori, et põgenenud kasvuhooneefekti paremini mõista. Mingil ajal oma ajaloos hakkas Veenus püüdma liiga palju soojust. Kunagi arvati, et võõrustatakse selliseid ookeane nagu Maa, kuid lisatud kuumus muutis vee auruks ja atmosfääri täiendav veeaur lõksus üha enam soojust, kuni terved ookeanid täielikult aurustusid. Venus Express näitas isegi, et veeaur pääseb Veenuse atmosfäärist ja kosmosesse endiselt.

Venus Express avastas planeedi atmosfääris ka müstilise kõrge vääveldioksiidikihi. Vulkaanide eraldumisel on oodata vääveldioksiidi - missiooni kestel registreeris Venus Express suuri muutusi atmosfääri vääveldioksiidi sisalduses. See viib väävelhappe pilvede ja tilkade moodustumiseni umbes 50–70 km (31–44 miili) kõrgusel - kogu järelejäänud vääveldioksiid tuleks tugeva päikesekiirguse tagajärjel hävitada. Seega oli Venus Expressi jaoks üllatus, kui avastasite umbes 100 miili kaugusel asuva gaasikihi. Tehti kindlaks, et aurustava väävelhappe tilgakestena tekib vaba gaasiline väävelhape, mis seejärel päikesevalguse toimel puruneb, vabastades gaasilise vääveldioksiidi.

Vaatlus lisab arutelule, mis võib juhtuda, kui Maa atmosfääri süstitakse suures koguses vääveldioksiidi - tehti ettepanek, kuidas leevendada muutuva kliima mõju Maal. Seda kontseptsiooni demonstreeriti Filipiinide Pinatubo mäe 1991. aasta vulkaanipurskest, kui purskest väljunud vääveldioksiid tekitas umbes 20 miili (20 km) kõrgusel väikseid kontsentreeritud väävelhappe tilka - nagu Veenuse pilvedes leiduvaid. See tekitas uduse kihi ja jahutas meie planeeti mitme aasta jooksul globaalselt umbes 0, 9 kraadi Fahrenheiti (.5 kraadi). Kuna see hägus peegeldab kuumust, on tehtud ettepanek, et üheks võimaluseks globaalsete temperatuuride alandamiseks oleks kunstlikult suures koguses vääveldioksiidi süstimine atmosfääri. Pinatubo mäe looduslikud mõjud pakkusid siiski vaid ajutist jahutavat efekti. Väävelhappe pilvipiiskade tohutu kihi uurimine Veenusel pakub loomulikku viisi pikaajaliste mõjude uurimiseks; algselt kõrgemal kõrgusel olev kaitsev hägusus muutuks lõpuks gaasiliseks väävelhappeks, mis on läbipaistev ja laseb läbi kõik päikesekiired. Rääkimata happelise vihma kõrvalmõjust, mis Maal võib kahjulikku mõju avaldada pinnasele, taimeelule ja veele.

Maapealse planeedi magnetosfäärid. Pilt ESA kaudu.

Ülemaailmne külmutamine

Meie teine ​​naaber Mars asub teises äärmuses: kuigi tema atmosfääris on samuti valdavalt süsinikdioksiid, pole seda tänapäeval peaaegu üldse, atmosfääri üldmahuga vähem kui 1 protsent Maa omast.

Marsi olemasolev atmosfäär on nii õhuke, et ehkki süsinikdioksiid kondenseerub pilvedeks, ei suuda see päikese käes piisavalt vett pinnavee säilitamiseks - see aurustub pinnal koheselt. Kuid madalrõhkkonna ja suhteliselt paljanduvate temperatuuride (-67 kraadi Fahrenheiti (-55 kraadi)) korral - kosmoseaparaadid - vahemikus -207, 4 kraadi Fahrenheiti (-133 kraadi C) talvise masti juures kuni 80 kraadi Fahrenheiti (27 kraadi C) suvel ärge sulatage selle pinnale, võimaldades meil suuremat juurdepääsu selle saladustele. Lisaks sellele, et planeedil puudub tektoonika ringlussevõtt, pääsevad neli miljardit aastat vanad kivimid otse meie maaomanikele ja roveritele, kes uurivad selle pinda. Samal ajal leiavad meie orbiidid, sealhulgas Mars Express, mis on planeeti uurinud enam kui 15 aastat, pidevalt tõestusi selle kord voolavate vete, ookeanide ja järvede kohta, andes põnevat lootust, et see võib kunagi elu toetada.

Ka punane planeet oleks tänu asteroididest ja komeetidest lenduvate lenduvate ainete eraldumisele ja selle kivise sisemuse jahenemisel vulkaaniliste gaaside väljavoolule paksema atmosfääriga alguse saanud. Tõenäoliselt ei suutnud see väiksema massi ja väiksema gravitatsiooni tõttu oma atmosfääri käes hoida. Lisaks oleks selle algne kõrgem temperatuur andnud atmosfääri gaasimolekulidele rohkem energiat, võimaldades neil kergemini väljuda. Ja kuna see on oma ajaloo alguses kaotanud ka globaalse magnetvälja, puututi allesjäänud atmosfääri päikesetuulega - pidev laetud osakeste voog päikesest -, mis, nagu ka Veenus, jätkab atmosfääri eemaldamist ka tänapäeval .

Vähenenud atmosfääri korral liikus pinnavesi maa alla, vabanes ulatuslike välguvetena ainult siis, kui löögid soojendasid maapinda ja vabastasid pinnavee ning jää. See on lukustatud ka polaarjäätmetesse. Samuti avastas Mars Express hiljuti maa pinnast 1, 24 miili (maapinnast) maetud vedela veekogu. Kas tõendid elu kohta võivad olla ka maa all? See küsimus on Euroopa ExoMarsi roveri keskmes, mis plaanitakse käivitada 2020. aastal ja maanduda 2021. aastal, et puurida kuni 6, 6 jalga (2 meetrit) maapinnast, et proovid kätte saada ja biomarkereid otsida.

Arvatakse, et Mars tuleb praegu välja jääajast. Nagu Maa, on ka Mars tundlik selliste tegurite muutuste suhtes nagu pöörlemistelje kaldenurk, kui ta tiirleb Päikesest; arvatakse, et vee püsivus pinnal on tuhandete miljonite aastate jooksul varieerunud, kuna planeedi aksiaalne kalle ja selle kaugus päikesest on muutunud tsükliliste muutustega. Praegu orbiidilt punast planeeti uuriv ExoMars Trace Gas Orbiter tuvastas hiljuti ekvatoriaalsetes piirkondades hüdreeritud materjali, mis võiks tähistada minevikus meie planeedi pooluste endisi asukohti.

Trace Gas Orbiteri peamine ülesanne on planeedi atmosfääri täpse inventeerimise läbiviimine, eriti jäljendusgaaside moodustamiseks, mis moodustavad vähem kui 1 protsendi planeedi atmosfääri kogumahust. Eriti huvitav on metaan, mida Maal toodetakse peamiselt bioloogilise aktiivsuse ning looduslike ja geoloogiliste protsesside kaudu. Metaani vihjetest on varem teatanud Mars Express ja hiljem NASA - Curiosity rover planeedi pinnal, kuid Trace Gas Orbiteri ülitundlikud instrumendid on seni teatanud gaasi üldisest puudumisest, süvendades mõistatust. Erinevate tulemuste kinnitamiseks uurivad teadlased mitte ainult metaani tekke võimalusi, vaid ka seda, kuidas seda pinna lähedal hävitada. Kuid mitte kõik päästerõngad ei tekita metaani ja rover koos maa-aluse puurimisega suudab loodetavasti meile veel öelda. Kindlasti aitab punase planeedi jätkuv uurimine mõista, kuidas ja miks on Marssi asustamispotentsiaal aja jooksul muutunud.

Kuivatatud jõeorgude võrk Marsil. Pilt ESA / DLR / FU kaudu Berliinis.

Uurides kaugemalt

Vaatamata samade koostisosadega alustamisele kannatasid Maa naabrid laastavate kliimakatastroofide all ega suutnud kaua oma veest kinni hoida. Veenus muutus liiga kuumaks ja Mars liiga külmaks; ainult Maa sai planeediks Goldilocks just õigete tingimustega. Kas jõudsime lähedale sellele, et saada eelmisel jääajal Marsi-sarnaseks? Kui lähedal oleme põgenevale kasvuhooneefektile, mis vaevab Veenust? Nende planeetide evolutsiooni ja nende atmosfääri rolli mõistmine on meie enda planeedi kliimamuutuste mõistmiseks tohutult oluline, kuna lõppkokkuvõttes reguleerivad kõiki samu füüsikaseadused. Meie ümber tiirlevate kosmoselaevade tagastatud andmed annavad loomuliku meeldetuletuse, et kliimastabiilsus pole midagi enesestmõistetavat.

Igal juhul on väga pikas perspektiivis miljardeid aastaid tulevikus kasvuhoonegaas Maa vananeva päikese käes vältimatu tulemus. Meie ükskord elustav täht lõpuks paisub ja helendab, süstides Maale piisavalt soojust, et meie ookeanid keeta, saates selle mööda kurja kaksikut mööda sama rada.

Alumine rida: planeetide Marsi ja Veenuse atmosfäär võib meile palju õpetada Maa mineviku ja tulevikustsenaariumite kohta.