Uno tiene una atmósfera espesa y venenosa, uno apenas tiene atmósfera, y uno es el adecuado para que la vida florezca, pero no siempre fue así. Las atmósferas de nuestros dos vecinos Venus y Marte pueden enseñarnos mucho sobre los escenarios pasados ​​y futuros de nuestro propio planeta.

Rebobine 4.6 mil millones de años desde la actualidad hasta el patio de la construcción planetaria, y vemos que todos los planetas comparten una historia común:todos nacieron de la misma nube arremolinada de gas y polvo, con el sol recién nacido encendido en el centro. Lento pero seguro, con la ayuda de la gravedad, polvo acumulado en cantos rodados, eventualmente formando una bola de nieve en entidades del tamaño de un planeta.

El material rocoso podría soportar el calor más cercano al sol, mientras tiene gases, el material helado solo podría sobrevivir más lejos, dando lugar a los planetas terrestres más internos y a los gigantes de gas y hielo más externos, respectivamente. Las sobras hicieron asteroides y cometas.

Las atmósferas de los planetas rocosos se formaron como parte del muy enérgico proceso de construcción, principalmente por desgasificación a medida que se enfriaban, con algunas pequeñas contribuciones de erupciones volcánicas y pequeñas entregas de agua, gases y otros ingredientes de cometas y asteroides. Con el tiempo, las atmósferas sufrieron una fuerte evolución gracias a una intrincada combinación de factores que finalmente llevaron al estado actual, siendo la Tierra el único planeta conocido que alberga vida, y el único con agua líquida en su superficie hoy.

Sabemos por misiones espaciales como Venus Express de la ESA, que observó Venus desde la órbita entre 2006 y 2014, y Mars Express, investigando el Planeta Rojo desde 2003, esa agua líquida una vez fluyó en nuestros planetas hermanos, también. Mientras que el agua de Venus hace mucho que se ha evaporado, en Marte está enterrado bajo tierra o encerrado en casquetes polares. Íntimamente vinculado a la historia del agua, y en última instancia a la gran pregunta de si la vida podría haber surgido más allá de la Tierra, está el estado de la atmósfera de un planeta. Y conectado a eso la interacción e intercambio de material entre la atmósfera, océanos y el interior rocoso del planeta.

Reciclaje planetario

De regreso a nuestros planetas recién formados de una bola de roca fundida con un manto que rodea un núcleo denso, dijeron que se enfriaran. Tierra, Venus y Marte experimentaron una actividad de desgasificación en estos primeros días, que formó las primeras crías, Atmósferas cálidas y densas. Como estas atmósferas también se enfriaron, los primeros océanos llovieron del cielo.

En algún punto, aunque, las características de la actividad geológica de los tres planetas divergieron. La tapa sólida de la Tierra se rompió en placas, en algunos lugares bucear debajo de otra placa en zonas de subducción, y en otros lugares chocan para crear vastas cadenas montañosas o se separan para crear grietas gigantes o una nueva corteza. Las placas tectónicas de la Tierra todavía se mueven hoy, dando lugar a erupciones volcánicas o terremotos en sus límites.

Venus, que es solo un poco más pequeña que la Tierra, todavía puede tener actividad volcánica hoy, y su superficie parece haber sido resurgida con lavas tan recientemente como hace 500 millones de años. Hoy no tiene un sistema de tectónica de placas discernible; sus volcanes probablemente fueron alimentados por columnas térmicas que se elevan a través del manto, creadas en un proceso que se puede comparar a una 'lámpara de lava' pero a una escala gigantesca.

Marte, siendo mucho más pequeño, se enfrió más rápidamente que la Tierra y Venus, y cuando sus volcanes se extinguieron, perdió un medio clave para reponer su atmósfera. Pero todavía cuenta con el volcán más grande de todo el Sistema Solar, el Olympus Mons de 25 kilómetros de altura, probablemente también sea el resultado de la formación vertical continua de la corteza a partir de penachos que se elevan desde abajo. Aunque hay evidencia de actividad tectónica en los últimos 10 millones de años, e incluso el marsquake ocasional en los tiempos actuales, tampoco se cree que el planeta tenga un sistema tectónico similar a la Tierra.

No es solo la tectónica de placas global lo que hace que la Tierra sea especial, sino la combinación única con los océanos. Hoy nuestros océanos, que cubren aproximadamente dos tercios de la superficie de la Tierra, absorber y almacenar gran parte del calor de nuestro planeta, transportarlo a lo largo de las corrientes de todo el mundo. A medida que una placa tectónica se arrastra hacia el manto, se calienta y libera agua y gases atrapados en las rocas, que a su vez se filtran a través de respiraderos hidrotermales en el fondo del océano.

Se han encontrado formas de vida extremadamente resistentes en tales entornos en el fondo de los océanos de la Tierra, proporcionar pistas sobre cómo puede haber comenzado la vida temprana, y dar a los científicos indicaciones sobre dónde buscar en otras partes del Sistema Solar:la luna de Júpiter, Europa, o la luna helada de Saturno, Encelado, por ejemplo, que esconden océanos de agua líquida bajo sus costras heladas, con evidencia de misiones espaciales como Cassini que sugieren que puede haber actividad hidrotermal.

Es más, la tectónica de placas ayuda a modular nuestra atmósfera, regulando la cantidad de dióxido de carbono en nuestro planeta durante largos períodos de tiempo. Cuando el dióxido de carbono atmosférico se combina con el agua, se forma ácido carbónico, que a su vez disuelve las rocas. La lluvia lleva el ácido carbónico y el calcio a los océanos (el dióxido de carbono también se disuelve directamente en los océanos) donde se recicla de nuevo al fondo del océano. Durante casi la mitad de la historia de la Tierra, la atmósfera contenía muy poco oxígeno. Las cinobacterias oceánicas fueron las primeras en utilizar la energía del Sol para convertir el dióxido de carbono en oxígeno, un punto de inflexión al proporcionar la atmósfera que mucho más adelante permitió que floreciera la vida compleja. Sin el reciclaje planetario y la regulación entre el manto, océanos y atmósfera, La Tierra pudo haber terminado más como Venus.

Efecto invernadero extremo

A veces se hace referencia a Venus como el gemelo malvado de la Tierra debido a que tiene casi el mismo tamaño pero está plagado de una atmósfera nociva densa y una superficie sofocante de 470ºC. Su alta presión y temperatura son lo suficientemente altas como para derretir el plomo y destruir la nave espacial que se atreva a aterrizar en él. Gracias a su atmósfera densa, hace incluso más calor que el planeta Mercurio, que orbita más cerca del Sol. Su desviación dramática de un entorno similar a la Tierra se usa a menudo como un ejemplo de lo que sucede en un efecto invernadero desbocado.

La principal fuente de calor del Sistema Solar es la energía del Sol, que calienta la superficie de un planeta, y luego el planeta irradia energía de regreso al espacio. Una atmósfera atrapa parte de la energía saliente, reteniendo el calor - el llamado efecto invernadero. Es un fenómeno natural que ayuda a regular la temperatura de un planeta. Si no fuera por los gases de efecto invernadero como el vapor de agua, dióxido de carbono, metano y ozono, La temperatura de la superficie de la Tierra sería unos 30 grados más fría que su promedio actual de + 15ºC.

Durante los últimos siglos, los humanos han alterado este equilibrio natural en la Tierra, fortalecer el efecto invernadero desde los albores de la actividad industrial mediante la aportación de dióxido de carbono adicional junto con óxidos de nitrógeno, sulfatos y otros gases traza y partículas de polvo y humo en el aire. Los efectos a largo plazo en nuestro planeta incluyen el calentamiento global, lluvia ácida y el agotamiento de la capa de ozono. Las consecuencias de un clima más cálido son de gran alcance, potencialmente afectando los recursos de agua dulce, la producción mundial de alimentos y el nivel del mar, y provocando un aumento de los fenómenos meteorológicos extremos.

No hay actividad humana en Venus, pero el estudio de su atmósfera proporciona un laboratorio natural para comprender mejor un efecto invernadero desbocado. En algún momento de su historia, Venus comenzó a atrapar demasiado calor. Alguna vez se pensó que albergaba océanos como la Tierra, pero el calor añadido convirtió el agua en vapor, y a la vez, El vapor de agua adicional en la atmósfera atrapó cada vez más calor hasta que océanos enteros se evaporaron por completo. Venus Express incluso mostró que el vapor de agua todavía se escapa de la atmósfera de Venus hacia el espacio en la actualidad.

Venus Express también descubrió una misteriosa capa de dióxido de azufre a gran altitud en la atmósfera del planeta. Se espera que el dióxido de azufre provenga de la emisión de volcanes; durante la misión, Venus Express registró grandes cambios en el contenido de dióxido de azufre de la atmósfera. Esto conduce a nubes de ácido sulfúrico y gotitas a altitudes de aproximadamente 50-70 km; cualquier dióxido de azufre restante debe ser destruido por una intensa radiación solar. Así que fue una sorpresa para Venus Express descubrir una capa de gas a unos 100 km. Se determinó que la evaporación de las gotas de ácido sulfúrico libera ácido sulfúrico gaseoso que luego se rompe con la luz solar, liberando el gas de dióxido de azufre.

La observación agrega a la discusión lo que podría suceder si se inyectaran grandes cantidades de dióxido de azufre en la atmósfera de la Tierra, una propuesta hecha sobre cómo mitigar los efectos del clima cambiante en la Tierra. El concepto se demostró a partir de la erupción volcánica de 1991 del monte Pinatubo en Filipinas, cuando el dióxido de azufre expulsado de la erupción creó pequeñas gotas de ácido sulfúrico concentrado, como las que se encuentran en las nubes de Venus, a unos 20 km de altitud. Esto generó una capa de neblina y enfrió nuestro planeta globalmente alrededor de 0.5ºC durante varios años. Debido a que esta neblina refleja el calor, se ha propuesto que una forma de reducir las temperaturas globales sería inyectar artificialmente grandes cantidades de dióxido de azufre en nuestra atmósfera. Sin embargo, los efectos naturales del monte Pinatubo solo ofrecieron un efecto refrescante temporal. El estudio de la enorme capa de gotas de nubes de ácido sulfúrico en Venus ofrece una forma natural de estudiar los efectos a largo plazo; una neblina inicialmente protectora a mayor altitud eventualmente se convertiría nuevamente en ácido sulfúrico gaseoso, que es transparente y deja pasar todos los rayos del sol. Sin mencionar el efecto secundario de la lluvia ácida, que en la Tierra puede causar efectos nocivos en los suelos, vida vegetal y agua.

Congelación global

Nuestro otro vecino, Marte, se encuentra en otro extremo:aunque su atmósfera también es predominantemente dióxido de carbono, hoy casi no tiene nada, con un volumen atmosférico total inferior al 1% del de la Tierra.

La atmósfera existente de Marte es tan delgada que, aunque el dióxido de carbono se condensa en nubes, no puede retener suficiente energía del Sol para mantener el agua de la superficie; se vaporiza instantáneamente en la superficie. Pero con su baja presión y temperaturas relativamente suaves de -55ºC (que van desde -133ºC en el polo de invierno hasta + 27ºC durante el verano), las naves espaciales no se derriten en su superficie, permitiéndonos un mayor acceso para descubrir sus secretos. Es más, gracias a la falta de reciclaje de placas tectónicas en el planeta, Las rocas de cuatro mil millones de años son directamente accesibles para nuestros módulos de aterrizaje y rovers que exploran su superficie. Mientras tanto, nuestros orbitadores, incluyendo Mars Express, que ha estado investigando el planeta durante más de 15 años, constantemente encuentran evidencia de sus aguas que alguna vez fluyeron, océanos y lagos, dando una tentadora esperanza de que alguna vez pudo haber sostenido la vida.

El Planeta Rojo también habría comenzado con una atmósfera más espesa gracias a la entrega de volátiles de asteroides y cometas. y desgasificación volcánica del planeta a medida que se enfriaba su interior rocoso. Lo más probable es que no pudiera aferrarse a su atmósfera debido a su menor masa y menor gravedad. Además, su temperatura inicial más alta habría dado más energía a las moléculas de gas en la atmósfera, permitiéndoles escapar más fácilmente. Y, habiendo perdido también su campo magnético global al principio de su historia, la atmósfera restante fue posteriormente expuesta al viento solar, un flujo continuo de partículas cargadas del Sol, que, como en Venus, sigue quitando la atmósfera incluso hoy.

Con una atmósfera disminuida, el agua superficial se movió bajo tierra, liberados como grandes inundaciones repentinas solo cuando los impactos calentaron el suelo y liberaron el agua y el hielo del subsuelo. También está encerrado en los casquetes polares. Mars Express también detectó recientemente un charco de agua líquida enterrado a dos kilómetros de la superficie. ¿Podría la evidencia de vida también estar bajo tierra? Esta pregunta está en el corazón del rover europeo ExoMars, programado para lanzarse en 2020 y aterrizar en 2021 para perforar hasta dos metros por debajo de la superficie para recuperar y analizar muestras en busca de biomarcadores.

Se cree que Marte está saliendo actualmente de una edad de hielo. Como la tierra Marte es sensible a cambios en factores como la inclinación de su eje de rotación cuando orbita el Sol; Se cree que la estabilidad del agua en la superficie ha variado durante miles o millones de años a medida que la inclinación axial del planeta y su distancia al Sol experimentan cambios cíclicos. El orbitador de gases traza de ExoMars, actualmente investigando el Planeta Rojo desde la órbita, material hidratado recientemente detectado en regiones ecuatoriales que podrían representar ubicaciones anteriores de los polos del planeta en el pasado.

La misión principal del Trace Gas Orbiter es realizar un inventario preciso de la atmósfera del planeta, en particular los gases traza que constituyen menos del 1% del volumen total de atmósfera del planeta. De particular interés es el metano, que en la Tierra se produce en gran parte por actividad biológica, y también por procesos naturales y geológicos. Mars Express ha informado previamente de indicios de metano, y luego por el rover Curiosity de la NASA en la superficie del planeta, pero los instrumentos altamente sensibles del Trace Gas Orbiter han informado hasta ahora una ausencia general del gas, profundizando el misterio. Para corroborar los diferentes resultados, Los científicos no solo están investigando cómo podría crearse el metano, sino también cómo podría destruirse cerca de la superficie. No todas las formas de vida generan metano, sin embargo, y el rover con su taladro subterráneo con suerte podrá contarnos más. Ciertamente, la exploración continua del planeta rojo nos ayudará a comprender cómo y por qué el potencial de habitabilidad de Marte ha cambiado con el tiempo.

Explorando más lejos

A pesar de comenzar con los mismos ingredientes, Los vecinos de la Tierra sufrieron devastadoras catástrofes climáticas y no pudieron retener su agua por mucho tiempo. Venus se volvió demasiado caliente y Marte demasiado frío; sólo la Tierra se convirtió en el planeta "Ricitos de oro" con las condiciones adecuadas. ¿Estuvimos cerca de convertirnos en algo parecido a Marte en una edad de hielo anterior? ¿Qué tan cerca estamos del efecto invernadero desbocado que azota a Venus? Comprender la evolución de estos planetas y el papel de sus atmósferas es tremendamente importante para comprender los cambios climáticos en nuestro propio planeta, ya que, en última instancia, las mismas leyes de la física gobiernan todo. Los datos devueltos por nuestra nave espacial en órbita proporcionan recordatorios naturales de que la estabilidad climática no es algo que se dé por sentado.

En todo caso, a muy largo plazo, miles de millones de años en el futuro, una Tierra de efecto invernadero es un resultado inevitable a manos del envejecimiento del Sol. Nuestra estrella, que una vez dio vida, eventualmente se hinchará y brillará, inyectar suficiente calor en el delicado sistema de la Tierra para hervir nuestros océanos, enviándolo por el mismo camino que su gemelo malvado.