У кого-то густая ядовитая атмосфера, у кого-то почти нет атмосферы, а кто-то подходит для процветания жизни, но так было не всегда. Атмосферы двух наших соседей Венеры и Марса могут многому научить нас о прошлых и будущих сценариях развития нашей собственной планеты.
Если перемотать назад 4,6 миллиарда лет с сегодняшнего дня на площадку для строительства планет, мы увидим, что у всех планет общая история: все они родились из одного и того же закрученного облака газа и пыли, а новорожденное Солнце воспламенилось в центре. Медленно, но верно, с помощью силы тяжести, пыль скапливалась в валуны, в конечном итоге снежным комом превращаясь в сущности размером с планету.
Каменистый материал мог выдерживать высокую температуру, ближайшую к Солнцу, в то время как газообразный ледяной материал мог выжить только подальше, давая начало самым внутренним планетам земной группы и самым внешним газовым и ледяным гигантам соответственно. Остатки - астероиды и кометы.
Сравнение планет земной группы
Атмосферы каменистых планет сформировались как часть очень энергичного процесса строительства, в основном за счет дегазации по мере их охлаждения, с небольшим вкладом извержений вулканов и незначительной доставкой воды, газов и других ингредиентов от комет и астероидов. Со временем, атмосферы претерпели сильную эволюцию благодаря сложной комбинации факторов, которые в конечном итоге привели к текущему состоянию, когда Земля является единственной известной планетой, поддерживающей жизнь, и единственной планетой с жидкой водой на ее поверхности сегодня.
Мы знаем из космических миссий, таких как Venus Express ЕКА, наблюдавшего Венеру с орбиты в период с 2006 по 2014 год, и Mars Express, исследующего Красную планету с 2003 года, что жидкая вода когда-то текла и на наших сестринских планетах. В то время как вода на Венере давно выкипела, на Марсе она либо похоронена под землей, либо заперта в ледяных шапках. С историей воды - и, в конечном итоге, с большим вопросом о том, могла ли жизнь возникнуть за пределами Земли - тесно связано состояние атмосферы планеты. И с этим связано взаимодействие и обмен материалами между атмосферой, океанами и скалистыми недрами планеты.
Планетарная переработка
Вернувшись на недавно сформированные планеты: шары расплавленной породы с мантией, окружающей плотное ядро, по-немного остывают. Земля, Венера и Марс в эти первые дни испытали активность дегазации, которая сформировала первые молодые, горячие и плотные атмосферы. По мере того, как эти атмосферы также охлаждались, с небес посыпались первые океаны.
Однако на каком-то этапе характеристики геологической активности трех планет разошлись. Твердая крышка Земли раскололась на плиты, в некоторых местах ныряя под другую плиту в зонах субдукции, а в других местах сталкиваясь, создавая обширные горные хребты, или раздвигаясь, создавая гигантские трещины или новую кору. Сегодня тектонические плиты Земли продолжают двигаться, вызывая извержения вулканов или землетрясения на их границах.
У Венеры, которая лишь немного меньше Земли, и на сегодня возможна вулканическая активность, а ее поверхность, кажется, была покрыта лавами совсем недавно, полмиллиарда лет назад. Сегодня здесь нет заметной системы тектоники плит; ее вулканы, вероятно, питались тепловыми шлейфами, поднимающимися через мантию, созданными в процессе, который можно сравнить с «лавовой лампой», но в гигантских масштабах.
Марс, будучи намного меньше, остыл 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-километровым холмом Олимпа, который, вероятно, тоже является результатом непрерывного вертикального строительства коры из поднимающихся снизу шлейфов. Несмотря на то, что есть свидетельства тектонической активности в течение последних 10 миллионов лет, считается, что у планеты нет тектонической системы земного типа.
Землю особенной делает не только глобальная тектоника плит, но и уникальное сочетание с океанами. Сегодня наши океаны, которые покрывают около двух третей поверхности Земли, поглощают и хранят большую часть тепла нашей планеты, перенося его течениями по всему земному шару. Когда тектоническая плита погружается в мантию, она нагревается и высвобождает воду и газы, захваченные в породах, которые, в свою очередь, просачиваются через гидротермальные каналы на дне океана.
Чрезвычайно выносливые формы жизни были обнаружены на дне океанов Земли, что дает подсказки относительно того, как могла начаться ранняя жизнь, и дает ученым указания о том, где искать ее в другом месте Солнечной системы: на спутнике Юпитера - Европа или ледяном спутнике Сатурна - Энцелад, например, которые скрывают океаны жидкой воды под своими ледяными корками, с доказательствами космических миссий, таких как Кассини, предполагающими наличие гидротермальной активности.
Более того, тектоника плит помогает изменять нашу атмосферу, регулируя количество углекислого газа на нашей планете в течение длительного времени. Когда атмосферный углекислый газ соединяется с водой, то они могут растворять 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 было 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 позволила процветать сложной жизни. Без планетарной рециркуляции и регулирования между мантией, океанами и атмосферой, Земля, возможно, больше походила бы на Венеру.
Венеру иногда называют злым близнецом Земли из-за того, что она почти такого же размера, но страдает от густой ядовитой атмосферы и душной поверхности с температурой 470°C. Ее высокое давление и температура достаточно высоки, чтобы расплавить свинец и разрушить космический корабль, который осмелится на нее приземлиться. Благодаря плотной атмосфере она даже горячее, чем Меркурий, который вращается еще ближе к Солнцу. Ее отклонение от земной среды часто используется в качестве примера того, что происходит при неуправляемом парниковом эффекте.
Злой Двойник Земли
Внешность обманчива. В этой плотной, богатой облаками атмосфере идут дожди серной кислоты, а внизу лежат не океаны, а обожженная и бесплодная поверхность, усыпанная лавой. Добро пожаловать на Венеру.
Основным источником тепла в Солнечной системе является энергия Солнца, которая нагревает поверхность планеты, а затем планета излучает энергию обратно в космос. Атмосфера улавливает часть исходящей энергии, сохраняя тепло - так называемый парниковый эффект. Это естественное 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 ее нынешнего среднего значения + 15°C.
За прошедшие столетия люди изменили этот естественный баланс на Земле, усилив парниковый эффект с самого начала промышленной деятельности, внося дополнительный углекислый газ вместе с оксидами азота, сульфатами и другими следовыми газами, а также частицами пыли и дыма в воздух. Долгосрочные последствия для нашей планеты включают глобальное потепление, кислотные дожди и истощение озонового слоя. Последствия потепления климата могут потенциально влиять на ресурсы пресной воды, глобальное производство продуктов питания и уровень моря, а также вызывать рост экстремальных погодных явлений.
На Венере нет человеческой деятельности, но изучение ее атмосферы дает естественную лабораторию, чтобы лучше понять стремительный парниковый эффект. В какой-то момент своей истории Венера начала удерживать слишком много тепла. Когда-то считалось, что здесь находятся океаны, подобные Земле, но добавленное тепло превратило воду в пар, а дополнительный водяной пар в атмосфере удерживал все больше и больше тепла, пока не испарились целые океаны. Venus Express даже показал, что водяной пар все еще выходит из атмосферы Венеры в космос.
Ожидается, что извержение вулканов приведет к двуокиси серы - за время миссии Venus Express зафиксировала большие изменения содержания этого элемента в атмосфере. Это приведет к образованию облаков и капель 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 расстоянии около 100 км. Было определено, что испаряющиеся капли освобождают газообразную серную кислоту, которая затем разрушается солнечным светом, выделяя газообразный диоксид серы.
Это наблюдение дополняет дискуссию о том, что может произойти, если в атмосферу Земли ввести большое количество диоксида серы - предположение о том, как смягчить последствия изменения климата на Земле. Эта концепция была продемонстрирована на примере извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году, когда извержение двуокиси серы привело к образованию небольших капель концентрированной серной кислоты - подобных тем, которые обнаруживаются в облаках Венеры - на высоте около 20 км. Это создало слой дымки и охладило нашу планету примерно на 0,5ºC в течение нескольких лет. Поскольку эта дымка отражает тепло, было высказано предположение, что одним из способов снижения глобальной температуры было бы искусственное введение большого количества диоксида серы в нашу атмосферу. Однако природные эффекты горы Пинатубо оказали лишь временный охлаждающий эффект.
Изучение огромного слоя облачных капель серной кислоты на Венере предлагает естественный способ изучить долгосрочные эффекты; Изначально защитная дымка на большей высоте в конечном итоге превратилась бы обратно 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.
Глобальная заморозка
Второй наш сосед, Марс, находится на другой стороне медали: хотя его атмосфера также преимущественно состоит из углекислого газа, на сегодня ее почти нет при общем объеме атмосферы менее 1% от земного.
Существующая атмосфера Марса настолько тонка, что, хотя углекислый газ конденсируется в облака, он не может удерживать достаточно энергии от Солнца для поддержания поверхностной воды - она мгновенно испаряется на поверхности. Но с его низким давлением и относительно приятной температурой -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, из-за отсутствия повторной тектоники плит на планете, камни возрастом четыре миллиарда лет доступны нашим посадочным модулям и марсоходам, исследующим ее поверхность. Между тем наши орбитальные аппараты, в том числе Mars Express, который изучает планету более 15 лет, постоянно находят доказательства существования в ней некогда проточных вод, океанов и озер, вселяя соблазнительную надежду на то, что когда-то они могли поддерживать жизнь.
Красная планета тоже должна была начаться с более плотной атмосферы благодаря доставке летучих веществ с астероидов и комет, а также выделению с планеты вулканических газов по мере охлаждения ее каменистых недр. Он просто не мог удержать свою атмосферу, скорее всего из-за меньшей массы и меньшей силы тяжести. Кроме того, его первоначальная более высокая температура дала бы больше энергии молекулам газа в атмосфере, что позволило бы им легче уйти. 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 отделять атмосферу даже сегодня.
При уменьшении атмосферы поверхностные воды перемещались под землю, выбрасываясь в виде обширных внезапных паводков только тогда, когда удары нагревали землю и высвобождали подземную воду 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, запуск которого запланирован на 2020 год и который приземлится в 2021 году для бурения скважин на глубину до двух метров под поверхностью для сбора 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 при вращении вокруг Солнца; считается, что стабильность воды на поверхности менялась от тысяч до миллионов лет, поскольку наклон оси планеты и ее расстояние от Солнца претерпевают циклические изменения. Орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas Orbiter, в настоящее время исследующий Красную планету с орбиты, недавно обнаружил гидратированный материал в экваториальных регионах, которые могут представлять собой бывшие местоположения полюсов планеты в прошлом.
Основная задача орбитального аппарата Trace Gas Orbiter заключается в проведении точной инвентаризации 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 природных и геологических процессов. О признаках метана ранее сообщал Mars Express, а затем марсоход NASA Curiosity на поверхности планеты, но высокочувствительные инструменты Trace Gas Orbiter пока что сообщают об общем отсутствии газа, что усугубляет загадку. Чтобы подтвердить разные результаты, ученые не только исследуют, как может образовываться метан, но и как он может быть разрушен вблизи поверхности. Однако не все формы жизни производят метан, и мы надеемся, что марсоход с его подземной буровой установкой сможет рассказать нам больше. Несомненно, продолжающееся исследование Красной планеты поможет нам понять, как и почему потенциал обитаемости Марса со временем изменился.
Исследуя дальше
Несмотря на то, что они начали использовать одни и те же ингредиенты, соседи Земли пострадали от разрушительных климатических катастроф и не могли долго удерживать свою воду. Венера стала слишком горячей, а Марс слишком холодным; только Земля стала планетой с подходящими условиями.
Были ли мы близки к тому, чтобы стать подобными Марсу в предыдущий ледниковый период? Насколько мы близки к безудержному парниковому эффекту, поражающему Венеру?
Понимание эволюции этих планет и роли их атмосфер чрезвычайно важно для понимания климатических изменений на нашей собственной планете, поскольку, в конечном счете, все управляют одними и теми же законами физики. Данные, полученные с нашего орбитального космического корабля, служат естественным напоминанием о том, что стабильность климата нельзя воспринимать как должное.
В любом случае, в очень долгой перспективе - на миллиарды лет в будущем - тепличная Земля станет неизбежным результатом стареющего Солнца. Наша некогда дающая жизнь звезда со временем разбухнет и станет ярче, нагревая хрупкую систему Земли, чтобы вскипятить наши океаны, отправив ее по тому же пути, что и ее злой двойник.