Как Венера и Марс могут рассказать нам о Земле
У одного густая ядовитая атмосфера, у другого атмосферы почти нет, и один как раз подходит для процветания жизни — но так было не всегда. Атмосферы двух наших соседей Венеры и Марса могут многое рассказать нам о прошлых и будущих сценариях нашей собственной планеты.
Отматываем 4,6 миллиарда лет от сегодняшнего дня на планетарную строительную площадку, и мы видим, что все планеты имеют общую историю: все они родились из одного и того же клубящегося облака газа и пыли, с зажженным в центре новорожденным Солнцем. Медленно, но верно, с помощью гравитации, пыль накапливалась в валуны, в конечном итоге лавинообразно превращаясь в объекты размером с планету.
Каменистый материал мог выдержать тепло, ближайшее к Солнцу, в то время как газообразный ледяной материал мог выжить только дальше, породив самые внутренние планеты земной группы и самые отдаленные газовые и ледяные гиганты соответственно. Из остатков образовались астероиды и кометы.
Атмосферы каменистых планет сформировались как часть очень энергичного строительного процесса, в основном за счет выделения газов по мере их охлаждения, с небольшим вкладом в результате извержений вулканов и незначительной доставкой воды, газов и других ингредиентов кометами и астероидами. Со временем атмосфера претерпела сильную эволюцию благодаря сложному сочетанию факторов, которые в конечном итоге привели к нынешнему состоянию: Земля является единственной известной планетой, поддерживающей жизнь, и единственной планетой с жидкой водой на поверхности сегодня.
Из космических миссий, таких как Venus Express ЕКА, который наблюдал Венеру с орбиты в период с 2006 по 2014 год, и Mars Express, исследующий Красную планету с 2003 года, мы знаем, что жидкая вода когда-то текла и на наших родственных планетах. В то время как вода на Венере давно выкипела, на Марсе она либо погребена под землей, либо заперта в ледяных шапках. С историей воды и, в конечном счете, с большим вопросом о том, могла ли жизнь зародиться за пределами Земли, тесно связано состояние атмосферы планеты. И связанное с этим взаимодействие и обмен веществом между атмосферой, океанами и каменистыми недрами планеты.
Планетарная переработка
Вернувшись на наши новообразованные планеты, из шара расплавленной породы с мантией, окружающей плотное ядро, они заявили, что остывают. Земля, Венера и Марс в эти ранние дни испытали активность выделения газов, которая сформировала первую молодую, горячую и плотную атмосферу. По мере того как эти атмосферы также охлаждались, с неба сыпались первые океаны.
Однако на каком-то этапе характеристики геологической активности трех планет разошлись. Твердая крышка Земли раскололась на плиты, в некоторых местах погружаясь под другую плиту в зонах субдукции, а в других местах сталкиваясь, образуя обширные горные хребты, или расходясь, создавая гигантские трещины или новую кору. Тектонические плиты Земли продолжают двигаться и сегодня, вызывая извержения вулканов или землетрясения на их границах.
На Венере, которая лишь немного меньше Земли, вулканическая активность все еще может проявляться сегодня, а ее поверхность, кажется, была покрыта лавой совсем недавно, полмиллиарда лет назад. Сегодня у него нет заметной системы тектоники плит; его вулканы, вероятно, питались тепловыми шлейфами, поднимающимися сквозь мантию, — созданными в процессе, который можно сравнить с «лавовой лампой», но в гигантских масштабах.
Марс, будучи намного меньше, остывал быстрее, чем Земля и Венера, и когда его вулканы потухли, он потерял ключевое средство пополнения своей атмосферы. Но он по-прежнему может похвастаться самым большим вулканом во всей Солнечной системе, 25-километровой горой Олимп, которая, вероятно, также является результатом непрерывного вертикального образования земной коры из-за шлейфов, поднимающихся снизу. Несмотря на то, что есть свидетельства тектонической активности в течение последних 10 миллионов лет и даже случайных марсотрясений в настоящее время, считается, что планета также не имеет земной тектонической системы.
Не только глобальная тектоника плит делает Землю особенной, но и уникальное сочетание с океанами. Сегодня наши океаны, покрывающие около двух третей поверхности Земли, поглощают и хранят большую часть тепла нашей планеты, перенося его течениями по всему земному шару. Когда тектоническая плита втягивается в мантию, она нагревается и высвобождает воду и газы, захваченные в скалах, которые, в свою очередь, просачиваются через гидротермальные жерла на дне океана.
Чрезвычайно выносливые формы жизни были обнаружены в таких средах на дне земных океанов, что дает ключ к разгадке того, как могла начаться ранняя жизнь, и дает ученым указания, где искать в других местах Солнечной системы: на спутнике Юпитера Европе или на ледяном спутнике Сатурна Энцеладе. например, которые скрывают океаны жидкой воды под своей ледяной коркой, а данные космических миссий, таких как Кассини, предполагают наличие гидротермальной активности.
Более того, тектоника плит помогает модулировать нашу атмосферу, регулируя количество углекислого газа на нашей планете в течение длительного времени. Когда атмосферный углекислый газ соединяется с водой, образуется угольная кислота, которая, в свою очередь, растворяет горные породы. Дождь приносит углекислоту и кальций в океаны — углекислый газ также растворяется непосредственно в океанах — где он возвращается обратно на дно океана. Почти половину истории Земли в атмосфере содержалось очень мало кислорода. Океанические цианобактерии были первыми, кто использовал энергию Солнца для преобразования углекислого газа в кислород, что стало поворотным моментом в создании атмосферы, которая гораздо дальше по линии развития позволила сложной жизни процветать. Без планетарной рециркуляции и регулирования между мантией, океанами и атмосферой Земля могла бы стать больше похожей на Венеру.
Экстремальный парниковый эффект
Венеру иногда называют злым близнецом Земли из-за того, что она почти такого же размера, но страдает от плотной ядовитой атмосферы и душной поверхности с температурой 470ºC. Его высокое давление и температура достаточно высоки, чтобы расплавить свинец и уничтожить космический корабль, который посмеет приземлиться на него. Благодаря своей плотной атмосфере она даже горячее, чем планета Меркурий, которая вращается ближе к Солнцу. Его резкое отклонение от земной среды часто используется в качестве примера того, что происходит при безудержном парниковом эффекте.
Основным источником тепла в Солнечной системе является энергия Солнца, которое нагревает поверхность планеты, а затем планета излучает энергию обратно в космос. Атмосфера задерживает часть исходящей энергии, сохраняя тепло – так называемый парниковый эффект. Это природное явление, которое помогает регулировать температуру планеты. Если бы не парниковые газы, такие как водяной пар, углекислый газ, метан и озон, температура поверхности Земли была бы примерно на 30 градусов ниже, чем ее нынешнее среднее значение +15ºC.
За последние столетия люди изменили этот естественный баланс на Земле, усилив парниковый эффект с самого начала промышленной деятельности, выбрасывая в воздух дополнительный углекислый газ вместе с оксидами азота, сульфатами и другими следовыми газами, а также частицами пыли и дыма. Долгосрочные последствия для нашей планеты включают глобальное потепление, кислотные дожди и истощение озонового слоя. Последствия потепления климата имеют далеко идущие последствия, потенциально затрагивая пресноводные ресурсы, глобальное производство продуктов питания и уровень моря, а также вызывая увеличение числа экстремальных погодных явлений.
На Венере нет деятельности человека, но изучение ее атмосферы дает естественную лабораторию для лучшего понимания безудержного парникового эффекта. В какой-то момент своей истории Венера начала улавливать слишком много тепла. Когда-то считалось, что на ней есть океаны, подобные Земле, но дополнительное тепло превращало воду в пар, и, в свою очередь, дополнительный водяной пар в атмосфере улавливал все больше и больше тепла, пока целые океаны полностью не испарились. Venus Express даже показал, что водяной пар сегодня все еще выходит из атмосферы Венеры в космос.
Venus Express также обнаружил загадочный слой высокогорного диоксида серы в атмосфере планеты. Диоксид серы ожидается от выбросов вулканов — за время миссии Venus Express зафиксировала большие изменения содержания диоксида серы в атмосфере. Это приводит к облакам и каплям серной кислоты на высоте около 50-70 км — любой оставшийся диоксид серы должен быть уничтожен интенсивным солнечным излучением. Поэтому для Venus Express было неожиданностью обнаружить слой газа на высоте около 100 км. Было установлено, что испаряющиеся капли серной кислоты выделяют газообразную серную кислоту, которая затем распадается на части под действием солнечного света, выделяя газообразный диоксид серы.
Наблюдение дополняет дискуссию о том, что может произойти, если в атмосферу Земли будет введено большое количество диоксида серы — предложение о том, как смягчить последствия изменения климата на Земле. Эта концепция была продемонстрирована на примере извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году, когда диоксид серы, выброшенный в результате извержения, образовал маленькие капли концентрированной серной кислоты, подобные тем, что находятся в облаках Венеры, на высоте около 20 км. Это привело к образованию слоя дымки и глобальному охлаждению нашей планеты примерно на 0,5ºC в течение нескольких лет. Поскольку эта дымка отражает тепло, было высказано предположение, что одним из способов снижения глобальной температуры будет искусственное введение больших количеств диоксида серы в нашу атмосферу. Однако природные эффекты горы Пинатубо давали лишь временный охлаждающий эффект. Изучение огромного слоя капель облаков серной кислоты на Венере предлагает естественный способ изучения долгосрочных эффектов; изначально защитная дымка на большей высоте в конечном итоге снова превратится в газообразную серную кислоту, которая прозрачна и пропускает все солнечные лучи. Не говоря уже о побочном эффекте кислотных дождей, которые на Земле могут оказывать вредное воздействие на почвы, растения и воду.
Глобальное замораживание
Другой наш сосед, Марс, находится в другой крайности: хотя его атмосфера также преимущественно состоит из углекислого газа, сегодня он почти не содержит его, а общий объем атмосферы составляет менее 1% от земного.
Существующая атмосфера Марса настолько разрежена, что, хотя углекислый газ конденсируется в облака, он не может удерживать достаточно энергии Солнца для поддержания поверхностных вод — он мгновенно испаряется на поверхности. Но благодаря низкому давлению и относительно мягким температурам -55ºC (от -133ºC на зимнем полюсе до +27ºC летом) космический корабль не тает на его поверхности, что дает нам больший доступ к раскрытию его секретов.Кроме того, благодаря отсутствию на планете перерабатываемой тектоники плит, скалы возрастом четыре миллиарда лет напрямую доступны нашим спускаемым аппаратам и марсоходам, исследующим ее поверхность. Тем временем наши орбитальные аппараты, в том числе Mars Express, которые исследуют планету уже более 15 лет, постоянно находят доказательства наличия на ней некогда проточных вод, океанов и озер, что дает мучительную надежду на то, что когда-то на ней могла существовать жизнь.
Красная планета также начиналась с более плотной атмосферы благодаря доставке летучих веществ с астероидов и комет, а также вулканическому выделению газа из планеты по мере остывания ее каменистых недр. Он просто не мог удержать свою атмосферу, скорее всего, из-за своей меньшей массы и меньшей гравитации. Кроме того, его первоначальная более высокая температура дала бы больше энергии молекулам газа в атмосфере, что позволило бы им легче покинуть атмосферу. И, также потеряв свое глобальное магнитное поле в начале своей истории, оставшаяся атмосфера впоследствии подверглась воздействию солнечного ветра — непрерывного потока заряженных частиц от Солнца — который, как и на Венере, продолжает сносить атмосферу даже сегодня. .
При уменьшении атмосферы поверхностные воды перемещались под землю, высвобождаясь в виде обширных внезапных наводнений только тогда, когда удары нагревали землю и высвобождали подповерхностные воды и лед. Он также заперт в полярных ледяных шапках. Mars Express также недавно обнаружил бассейн с жидкой водой, погребенный в пределах двух километров от поверхности. Могут ли свидетельства жизни находиться под землей? Этот вопрос лежит в основе европейского марсохода ExoMars, который планируется запустить в 2020 году и приземлиться в 2021 году, чтобы пробурить до двух метров под поверхностью для извлечения и анализа образцов в поисках биомаркеров.
Считается, что Марс в настоящее время выходит из ледникового периода.Как и Земля, Марс чувствителен к изменениям таких факторов, как наклон его оси вращения, когда он вращается вокруг Солнца; считается, что стабильность воды на поверхности менялась от тысяч до миллионов лет, поскольку осевой наклон планеты и ее расстояние от Солнца претерпевают циклические изменения. ExoMars Trace Gas Orbiter, который в настоящее время исследует Красную планету с орбиты, недавно обнаружил гидратированный материал в экваториальных регионах, который может представлять прежние местоположения полюсов планеты в прошлом.
Основная задача Trace Gas Orbiter — провести точную инвентаризацию атмосферы планеты, в частности газовых примесей, которые составляют менее 1% от общего объема атмосферы планеты. Особый интерес представляет метан, который на Земле образуется в основном в результате биологической деятельности, а также в результате природных и геологических процессов. О намеках на метан ранее сообщал Mars Express, а затем марсоход НАСА Curiosity на поверхности планеты, но высокочувствительные инструменты орбитального аппарата Trace Gas до сих пор сообщали об общем отсутствии газа, что усугубляло тайну. Чтобы подтвердить разные результаты, ученые исследуют не только то, как может образоваться метан, но и то, как он может быть разрушен близко к поверхности. Однако не все формы жизни производят метан, и мы надеемся, что марсоход с его подземным буром сможет рассказать нам больше. Безусловно, продолжающееся исследование Красной планеты поможет нам понять, как и почему потенциал пригодности Марса для жизни менялся с течением времени.
Изучение дальше
Несмотря на то, что они начинали с тех же ингредиентов, соседи Земли пострадали от разрушительных климатических катастроф и не смогли долго удерживать свою воду. Венера стала слишком горячей, а Марс слишком холодным; только Земля стала планетой «Златовласка» с правильными условиями.Были ли мы близки к тому, чтобы стать марсианскими в предыдущем ледниковом периоде? Насколько мы близки к безудержному парниковому эффекту, от которого страдает Венера? Понимание эволюции этих планет и роли их атмосфер чрезвычайно важно для понимания климатических изменений на нашей собственной планете, поскольку в конечном итоге всем управляют одни и те же законы физики. Данные, полученные с нашего орбитального космического корабля, служат естественным напоминанием о том, что стабильность климата нельзя воспринимать как нечто само собой разумеющееся.
В любом случае, в очень долгосрочной перспективе — через миллиарды лет — тепличная Земля — это неизбежный результат стареющего Солнца. Наша когда-то дающая жизнь звезда в конечном итоге раздуется и станет ярче, направив достаточно тепла в хрупкую систему Земли, чтобы вскипятить наши океаны, отправив ее по тому же пути, что и ее злой близнец.
Мы меняем наш естественный мир быстрее, чем когда-либо в истории. Понимание тонкостей того, как Земля работает как система, и влияние человеческой деятельности на естественные процессы — огромные экологические проблемы. Спутники жизненно важны для измерения пульса нашей планеты, предоставления информации, необходимой нам для понимания и наблюдения за нашим драгоценным миром, а также для принятия решений для защиты нашего будущего. Данные наблюдения Земли также являются ключом к множеству практических приложений для улучшения повседневной жизни и стимулирования экономики. На этой неделе мы сосредоточимся на крупнейшей в мире конференции по наблюдению Земли, на которой тысячи ученых и пользователей данных обсуждают последние результаты и заглядывают в будущее наблюдения Земли.
Нравиться
Спасибо за лайк
Вы уже лайкнули эту страницу, вы можете поставить лайк только один раз!
