Jak nás Venuše a Mars mohou učit o Zemi

Měsíc, Mars a Venuše stoupající nad zemský horizont. Obrázek přes ESA / NASA.

Tento článek je přetištěn z Evropské kosmické agentury (ESA)

Jeden má silnou jedovatou atmosféru, jeden nemá vůbec žádnou atmosféru a člověk má právo vzkvétat - ale vždy tomu tak nebylo. Atmosféra našich dvou sousedů Venuše a Mars nás může naučit hodně o minulých a budoucích scénářích naší vlastní planety.

Převinout 4, 6 miliardy let od dnešního dne na planetární stavební dvůr a vidíme, že všechny planety sdílejí společnou historii: všechny se narodily ze stejného vířícího se oblaku plynu a prachu, přičemž novorozené slunce zapálilo ve středu. Pomalu, ale jistě, se pomocí gravitace hromadí prach do balvanů, nakonec sněží do planetárních entit.

Skalnatý materiál vydržel teplo nejblíže ke slunci, zatímco plynný, ledový materiál mohl přežít jen dál a vyvolat nejvnitřnější pozemské planety a nejvzdálenější plynové a ledové obry. Zbytky vytvořily asteroidy a komety.

Atmosféra skalnatých planet byla tvořena jako součást velmi energického stavebního procesu, většinou odplyněním, když se ochladily, s malými příspěvky ze sopečných erupcí a drobného přívodu vody, plynů a dalších přísad kometami a asteroidy. V průběhu času atmosféry prošly silným vývojem díky složité kombinaci faktorů, které nakonec vedly k současnému stavu, kdy Země byla jedinou známou planetou podporující život, a jedinou s kapalnou vodou na jejím povrchu dnes.

Z vesmírných misí, jako je ESA Venus Express, která pozorovala Venuši na oběžné dráze mezi lety 2006 a 2014, a Mars Express, vyšetřující rudou planetu od roku 2003, víme, že tekutá voda jednou teče také na našich sesterských planetách. Zatímco voda na Venuši už dávno ušla, na Marsu je buď pohřbena pod zemí nebo zamčena v ledových čepicích. Úzce souvisí s příběhem o vodě - a nakonec s velkou otázkou, zda by život mohl vzniknout i mimo Zemi - je stav atmosféry planety. S tím souvisí i souhra a výměna materiálu mezi atmosférou a oceány a skalnatým vnitřkem planety.

Srovnání 4 pozemských planet (tj. „Podobných Zemi“) naší vnitřní sluneční soustavy: Merkur, Venuše, Země a Mars. Obrázek přes ESA.

Planetární recyklace

Zpátky na našich nově vytvořených planetách, od koule z roztavené skály s pláštěm obklopujícím husté jádro, se začaly ochladit. Země, Venuše a Mars zažily v těchto raných dobách odplyňovací činnost, která vytvořila první mladou, horkou a hustou atmosféru. Když se tyto atmosféry také ochladily, pršely z nebe první oceány.

V určité fázi se však vlastnosti geologické aktivity tří planet odlišily. Pevné víko Země prasklo v talířích, v některých místech se potápělo pod jinou deskou v subdukčních zónách a na jiných místech se střetávalo, aby vytvořilo obrovské pohoří nebo se rozpadlo a vytvořilo obří trhliny nebo novou kůru. Tektonické desky Země se stále pohybují dodnes a způsobují na jejich hranicích sopečné erupce nebo zemětřesení.

Venuše, která je jen o něco menší než Země, může mít i dnes sopečnou aktivitu a zdá se, že její povrch byl znovu zabalen lávami až před půl miliardou let. Dnes nemá žádný rozeznatelný deskový tektonický systém; jeho sopky byly pravděpodobně poháněny tepelnými oblaky stoupajícími skrz plášť vytvořeným procesem, který lze přirovnat k „lávové lampě“, ale v gigantickém měřítku.

Mars z horizontu na horizont. Obrázek přes ESA / DLR / FU Berlín

Mars, který byl mnohem menší, ochladil rychleji než Země a Venuše, a když jeho sopky zanikly, ztratil klíčový prostředek k doplnění jeho atmosféry. Ale stále se může pochlubit největší sopkou v celé sluneční soustavě, 16 mílí (25 km) vysokou Olympus Mons, pravděpodobně také důsledkem nepřetržitého svislého budování kůry z oblaků stoupajících zespodu. I když existují důkazy o tektonické činnosti za posledních 10 milionů let a dokonce i o příležitostném marsquake v současné době, není ani planeta považována za systém tektoniky podobný Zemi.

Není to jen globální talířová tektonika, která dělá Zemi jedinečnou, ale jedinečná kombinace s oceány. Dnes naše oceány, které pokrývají asi dvě třetiny zemského povrchu, absorbují a ukládají většinu tepla naší planety a přepravují je podél proudů po celém světě. Když je tektonická deska tažena dolů do pláště, zahřívá se a uvolňuje vodu a plyny uvězněné ve skalách, které se následně prosakují hydrotermálními otvory na dně oceánu.

V takových prostředích na dně zemských oceánů byly nalezeny extrémně vytrvalé formy života, které poskytují vodítka k tomu, jak se mohl začít časný život, a dávají vědcům ukazatele, kam hledat jinde ve sluneční soustavě: Jupiterův měsíc Evropa nebo Saturnův ledový měsíc Enceladus. například, které zakrývají oceány tekuté vody pod ledovými krustami, mohou být přítomny důkazy z vesmírných misí, jako je Cassini, což naznačuje hydrotermální aktivitu.

Desková tektonika navíc pomáhá modulovat naši atmosféru a reguluje množství oxidu uhličitého na naší planetě po dlouhou dobu. Když se atmosférický oxid uhličitý kombinuje s vodou, vytvoří se kyselina uhličitá, která zase rozpouští horniny. Déšť přivádí kyselinu uhličitou a vápník do oceánů - oxid uhličitý se také rozpouští přímo v oceánech - kde se cykluje zpět do dna oceánu. Pro téměř polovinu historie Země obsahovala atmosféra velmi málo kyslíku. Oceánské cynobakterie byly prvními, kteří využívali sluneční energii k přeměně oxidu uhličitého na kyslík, což je zlom v poskytování atmosféry, která mnohem dále dolů po linii umožnila vzkvétat komplexnímu životu. Bez planetární recyklace a regulace mezi pláštěm, oceány a atmosférou by Země mohla skončit spíš jako Venuše.

Extrémní skleníkový efekt

Venuše je někdy označována jako zlá dvojčata Země kvůli tomu, že je téměř stejná velikost, ale sužována hustou škodlivou atmosférou a ohnivým povrchem 470 ° C (878 F). Jeho vysoký tlak a teplota je dostatečně horká, aby roztavila olovo - a zničila kosmickou loď, která se odváží přistát na ní. Díky své husté atmosféře je ještě teplejší než planeta Merkur, která obíhá blíže ke slunci. Jeho dramatická odchylka od prostředí podobného Zemi je často používána jako příklad toho, co se děje při úniku skleníkového efektu.

Vítejte u Venuše, zlého dvojče Země. Obrázek přes ESA / MPS / DLR-PF / IDA.

Hlavním zdrojem tepla ve sluneční soustavě je sluneční energie, která zahřívá povrch planety a poté planeta vyzařuje energii zpět do vesmíru. Atmosféra zachycuje část odcházející energie a udržuje teplo - tzv. Skleníkový efekt. Je to přírodní jev, který pomáhá regulovat teplotu planety. Pokud by to nebylo pro skleníkové plyny jako vodní pára, oxid uhličitý, metan a ozon, povrchová teplota Země by byla asi o 30 stupňů chladnější než současný průměr 59 stupňů Fahrenheita (15 stupňů C).

Během minulých století lidé změnili tuto přirozenou rovnováhu na Zemi a posílili skleníkový efekt od úsvitu průmyslové činnosti tím, že do ovzduší přispívali další oxid uhličitý spolu s oxidy dusíku, sírany a dalšími stopovými plyny a částečkami prachu a kouře. Dlouhodobé účinky na naši planetu zahrnují globální oteplování, kyselé deště a vyčerpání ozonové vrstvy. Důsledky oteplování podnebí jsou dalekosáhlé, potenciálně ovlivňují sladkovodní zdroje, celosvětovou produkci potravin a hladinu moře a vyvolávají nárůst extrémních povětrnostních podmínek.

Neexistuje žádná lidská činnost na Venuši, ale studium její atmosféry poskytuje přirozenou laboratoř pro lepší pochopení utlumeného skleníkového efektu. V určitém okamžiku své historie začala Venuše zachytávat příliš mnoho tepla. Kdysi se uvažovalo o hostování oceánů, jako je Země, ale přidané teplo proměnilo vodu v páru a další vodní pára v atmosféře zachytávala stále více tepla, dokud se celé oceány úplně neodpařily. Venus Express dokonce ukázal, že vodní páry stále unikají z atmosféry Venuše a do vesmíru dnes.

Venus Express také objevil tajemnou vrstvu oxidu siřičitého ve vysoké výšce v atmosféře planety. Oxid siřičitý se očekává z emisí sopek - po dobu trvání mise zaznamenal Venus Express velké změny obsahu oxidu siřičitého v atmosféře. To vede k oblakům kyseliny sírové a kapičkám ve výškách asi 50 - 70 km (31-44 mil) - veškerý zbývající oxid siřičitý by měl být zničen intenzivním slunečním zářením. Bylo tedy překvapením, že Venus Express objevil vrstvu plynu ve vzdálenosti asi 100 km. Bylo stanoveno, že odpařující se kyselina sírová kape volné plynné kyseliny sírové, která se poté rozpadne slunečním zářením a uvolní se plynný oxid siřičitý.

Pozorování přispívá k diskusi o tom, co by se mohlo stát, kdyby se do zemské atmosféry vstříklo velké množství oxidu siřičitého - návrh na zmírnění dopadů měnícího se klimatu na Zemi. Tento koncept byl demonstrován od sopečné erupce Mount Pinatubo v roce 1991 na Filipínách, když oxid siřičitý vypuzený z erupce vytvořil malé kapičky koncentrované kyseliny sírové - jako ty, které se nacházejí v oblacích Venuše - ve výšce asi 20 km (20 km). Tím se vytvořila vrstva zákalu a naše planeta se globálně ochladila o asi 0, 9 stupně Fahrenheita (0, 5 stupně C) po dobu několika let. Protože tento zákal odráží teplo, bylo navrženo, že jedním ze způsobů, jak snížit globální teploty, je vstřikování uměle velkého množství oxidu siřičitého do naší atmosféry. Přirozené účinky hory Pinatubo však nabídly pouze dočasný chladicí účinek. Studium enormní vrstvy kapiček oblaku kyseliny sírové na Venuši nabízí přirozený způsob, jak studovat dlouhodobější účinky; původně ochranný zákal ve vyšších nadmořských výškách by se nakonec přeměnil zpět na plynnou kyselinu sírovou, což je průhledné a umožňuje průchod všem slunečním paprskům. Nemluvě o vedlejších účinkech kyselého deště, které na Zemi může mít škodlivé účinky na půdu, život rostlin a vodu.

Magnetosféry pozemské planety. Obrázek přes ESA.

Globální zmrazení

Náš další soused, Mars, leží v jiném extrému: ačkoli jeho atmosféra je také převážně oxidem uhličitým, dnes má téměř vůbec žádný, s celkovým atmosférickým objemem menším než 1 procento Země.

Marsova současná atmosféra je tak tenká, že ačkoli se oxid uhličitý kondenzuje do mraků, nemůže si ze slunce udržet dostatečnou energii k udržení povrchové vody - okamžitě se na povrchu odpařuje. Ale díky nízkému tlaku a relativně balzámovým teplotám -67 stupňů Fahrenheita (-55 stupňů C) - v rozmezí od -207, 4 stupňů Fahrenheita (-133 stupňů C) v zimním pólu do 80 stupňů Fahrenheita (27 stupňů C) v létě, kosmická loď neroztavujte se na jeho povrchu, což nám umožňuje lepší přístup k odhalení jeho tajemství. Navíc díky nedostatku recyklačních tektonických desek na planetě jsou čtyři miliardy let staré skály přímo přístupné našim landerům a roverům objevujícím jejich povrch. Mezitím naši orbitéři, včetně společnosti Mars Express, která zkoumá planetu více než 15 let, neustále hledají důkazy pro své kdysi tekoucí vody, oceány a jezera a dávají vzrušující naději, že by jednou mohli podpořit život.

Také červená planeta by začala vydávat silnější atmosféru díky dodávce těkavých látek z asteroidů a komet a sopečným výparům z planety, když se její skalnatý vnitřek ochladil. Jednoduše nedokázala udržet svou atmosféru s největší pravděpodobností kvůli své menší hmotnosti a nižší gravitaci. Navíc by její počáteční vyšší teplota poskytla molekulám plynu v atmosféře více energie, což by jim umožnilo snadnější únik. A poté, co také na počátku své historie ztratilo své globální magnetické pole, byla zbývající atmosféra následně vystavena slunečnímu větru - nepřetržitému toku nabitých částic ze slunce - který stejně jako na Venuši i nadále odstraňuje atmosféru i dnes .

Při snížené atmosféře se povrchová voda pohybovala v podzemí, uvolňovala se jako rozsáhlé bleskové povodně, pouze když nárazy zahřívaly zemi a uvolňovaly podpovrchovou vodu a led. Je také zamčený v polárních ledových uzávěrech. Mars Express také nedávno detekoval kaluž kapalné vody pohřbené do 1, 24 mil (2 km) od povrchu. Mohl by být důkaz života také pod zemí? Tato otázka je jádrem evropského ExoMars roveru, který má být zahájen v roce 2020 a přistát v roce 2021, aby vyvrtal až 6, 6 stop (2 metry) pod povrchem, aby získal a analyzoval vzorky při hledání biomarkerů.

Předpokládá se, že Mars v současné době vychází z doby ledové. Stejně jako Země, Mars je citlivý na změny ve faktorech, jako je náklon jeho rotační osy, když obíhá kolem Slunce; Předpokládá se, že stabilita vody na povrchu se měnila po tisíce až miliony let, protože axiální náklon planety a její vzdálenost od Slunce procházejí cyklickými změnami. ExoMars Trace Gas Orbiter, který v současné době vyšetřuje rudou planetu z oběžné dráhy, nedávno detekoval hydratovaný materiál v rovníkových oblastech, který mohl v minulosti představovat bývalá umístění pólů planety.

Primárním úkolem Trace Gas Orbiter je provádět přesný soupis atmosféry planety, zejména stopových plynů, které tvoří méně než 1 procento celkového objemu atmosféry planety. Zvláště zajímavý je metan, který je na Zemi produkován převážně biologickou aktivitou a také přírodními a geologickými procesy. Náznaky metanu byly dříve hlášeny společností Mars Express a později pomocí roveru zvědavosti NASA na povrchu planety, ale vysoce citlivé přístroje Trace Gas Orbiter dosud vykazovaly obecnou nepřítomnost plynu, prohloubení tajemství. Aby vědci dokázali různé výsledky, zkoumají nejen to, jak by mohl být metan vytvořen, ale také, jak by mohl být zničen v blízkosti povrchu. Ne všechny formy života však produkují metan, a rover s jeho podzemním vrtáním nám snad řekne více. Pokračující zkoumání červené planety nám jistě pomůže pochopit, jak a proč se potenciál obyvatel Marsu v průběhu času změnil.

Vyschlá síť údolí řeky na Marsu. Obrázek přes ESA / DLR / FU Berlín.

Putování dále

Navzdory tomu, že začínali stejnými ingrediencemi, sousedé Země trpěli ničivými klimatickými katastrofami a nemohli dlouho vydržet vodu. Venuše byla příliš horká a Mars příliš chladný; pouze Země se stala planetou „Goldilocks“ se spravedlivými podmínkami. Přiblížili jsme se k tomu, abychom se v předchozí době ledové stali Marsem? Jak jsme blízko k útěku skleníkového efektu, který trápí Venuši? Pochopení vývoje těchto planet a role jejich atmosféry je nesmírně důležité pro pochopení klimatických změn na naší vlastní planetě, protože nakonec platí všechny stejné fyzikální zákony. Data vrácená z naší orbitální kosmické lodi poskytují přirozené připomenutí, že klimatická stabilita není něco, co by mělo být považováno za samozřejmost.

V každém případě, ve velmi dlouhodobém miliardách let do budoucnosti greenhouse je skleníková Země nevyhnutelným výsledkem v rukou stárnoucího slunce. Naše kdysi životodárná hvězda nakonec nabobtná a rozjasní se, vstříkne dostatečné množství tepla do jemného systému Země, aby vařilo naše oceány, a poslalo ji stejnou cestou jako její zlé dvojče.

Sečteno a podtrženo: Atmosféra planet Mars a Venuše nás může naučit hodně o minulých a budoucích scénářích pro Zemi.