Die Atmosphäre unserer beiden Nachbarn Mars und Venus kann uns viel über vergangene und zukünftige Szenarien für unseren eigenen Planeten beibringen.
Mond, Mars und Venus erheben sich über dem Horizont der Erde. Bild über ESA / NASA.
Dieser Artikel stammt von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).
Man hat eine dicke giftige Atmosphäre, man hat kaum Atmosphäre und man ist genau richtig, damit das Leben blüht - aber das war nicht immer so. Die Atmosphäre unserer beiden Nachbarn Venus und Mars kann uns viel über vergangene und zukünftige Szenarien für unseren eigenen Planeten beibringen.
Spulen Sie 4,6 Milliarden Jahre vom heutigen Tag zum Planetenbauhof zurück, und wir sehen, dass alle Planeten eine gemeinsame Geschichte haben: Sie wurden alle aus derselben wirbelnden Gas- und Staubwolke geboren, wobei die neugeborene Sonne im Mittelpunkt stand. Langsam aber sicher sammelte sich mit Hilfe der Schwerkraft Staub in Felsblöcken an, der schließlich zu Planeten zusammenballte.
Felsiges Material konnte der der Sonne am nächsten liegenden Hitze standhalten, während gasförmiges, eisiges Material nur in größerer Entfernung überleben konnte und die innersten terrestrischen Planeten und die äußersten Gas- bzw. Eisriesen hervorbrachte. Die Reste machten Asteroiden und Kometen.
Die Atmosphären der felsigen Planeten wurden im Rahmen des sehr energischen Bauprozesses hauptsächlich durch Ausgasen während des Abkühlens gebildet, wobei einige geringfügige Beiträge von Vulkanausbrüchen und die geringe Zufuhr von Wasser, Gasen und anderen Bestandteilen von Kometen und Asteroiden stammten. Im Laufe der Zeit erfuhren die Atmosphären dank einer komplizierten Kombination von Faktoren, die letztendlich zum gegenwärtigen Zustand führten, eine starke Entwicklung. Die Erde war der einzige bekannte Planet, der das Leben stützte, und der einzige, der heute flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche hat.
Wir wissen aus Weltraummissionen wie dem Venus Express der ESA, der die Venus von 2006 bis 2014 aus der Umlaufbahn beobachtete, und dem Mars Express, der seit 2003 den roten Planeten erforschte,, dass flüssiges Wasser auch auf unseren Schwesterplaneten floss. Während das Wasser auf der Venus längst verdampft ist, ist es auf dem Mars entweder unter der Erde vergraben oder in Eiskappen eingeschlossen. Der Zustand der Atmosphäre eines Planeten ist eng mit der Geschichte des Wassers verbunden - und letztendlich mit der großen Frage, ob Leben jenseits der Erde entstanden sein könnte. Und damit verbunden das Zusammenspiel und der Austausch von Material zwischen der Atmosphäre und den Ozeanen sowie dem felsigen Inneren des Planeten.
Ein Vergleich der 4 erdähnlichen Planeten unseres inneren Sonnensystems: Merkur, Venus, Erde und Mars. Bild über ESA.
Planetenrecycling
Zurück bei unseren neugebildeten Planeten, aus einer Kugel geschmolzenen Gesteins mit einem Mantel, der einen dichten Kern umgab, begannen sie sich abzukühlen. Erde, Venus und Mars erlebten in diesen frühen Tagen ausgasende Aktivitäten, die die ersten jungen, heißen und dichten Atmosphären bildeten. Da sich auch diese Atmosphären abkühlten, regneten die ersten Ozeane vom Himmel.
Irgendwann divergierten jedoch die Merkmale der geologischen Aktivität der drei Planeten. Der feste Erddeckel zersprang in Platten, an einigen Stellen tauchte er in Subduktionszonen unter einer anderen Platte und an anderen kollidierte er, um riesige Gebirgszüge zu schaffen, oder zog sich auseinander, um riesige Risse oder neue Krusten zu erzeugen. Die tektonischen Platten der Erde bewegen sich noch heute und verursachen Vulkanausbrüche oder Erdbeben an ihren Grenzen.
Die Venus, die nur geringfügig kleiner als die Erde ist, hat heute möglicherweise noch vulkanische Aktivität, und ihre Oberfläche scheint erst vor einer halben Milliarde Jahren mit Lava wieder aufgetaucht zu sein. Heute gibt es kein erkennbares Plattentektoniksystem. Die Vulkane wurden wahrscheinlich von thermischen Schwaden angetrieben, die sich durch den Erdmantel erhoben. Diese entstehen in einem Prozess, der mit einer „Lavalampe“ vergleichbar ist, aber gigantisch groß ist.
Mars von Horizont zu Horizont. Bild über ESA / DLR / FU Berlin
Der viel kleinere Mars kühlte schneller ab als die Erde und die Venus, und als seine Vulkane erloschen, verlor er ein wichtiges Mittel, um seine Atmosphäre wieder aufzufüllen. Der größte Vulkan des gesamten Sonnensystems, der 25 km hohe Olympus Mons, ist wahrscheinlich auch das Ergebnis eines kontinuierlichen vertikalen Aufbaus der Kruste aus von unten aufsteigenden Federn. Obwohl es Hinweise auf tektonische Aktivitäten in den letzten 10 Millionen Jahren und sogar gelegentliche Marsbeben in der heutigen Zeit gibt, wird angenommen, dass der Planet auch nicht über ein erdähnliches Tektoniksystem verfügt.
Es ist nicht nur die globale Plattentektonik, die die Erde zu etwas Besonderem macht, sondern die einzigartige Kombination mit Ozeanen. Heute absorbieren und speichern unsere Ozeane, die ungefähr zwei Drittel der Erdoberfläche bedecken, einen Großteil der Wärme unseres Planeten und transportieren sie entlang der Strömungen rund um den Globus. Wenn eine tektonische Platte in den Erdmantel hineingezogen wird, erwärmt sie sich und setzt Wasser und Gase frei, die in den Felsen eingeschlossen sind, die wiederum durch hydrothermische Öffnungen auf dem Meeresboden sickern.
In solchen Umgebungen am Boden der Ozeane wurden extrem robuste Lebensformen gefunden, die Hinweise auf den Beginn des Lebens liefern und Wissenschaftlern Hinweise darauf geben, wo sie anderswo im Sonnensystem suchen können: Jupiters Mond Europa oder Saturns eisiger Mond Enceladus B. Ozeane mit flüssigem Wasser unter ihren eisigen Krusten verbergen, wobei Hinweise aus Weltraummissionen wie Cassini auf hydrothermale Aktivität hindeuten.
Darüber hinaus trägt die Plattentektonik dazu bei, unsere Atmosphäre zu modulieren und die Menge an Kohlendioxid auf unserem Planeten über lange Zeiträume zu regulieren. Wenn sich atmosphärisches Kohlendioxid mit Wasser verbindet, entsteht Kohlensäure, die wiederum Steine auflöst. Regen bringt die Kohlensäure und das Kalzium in die Ozeane - Kohlendioxid wird auch direkt in den Ozeanen gelöst -, wo es zurück in den Meeresboden geleitet wird. Für fast die Hälfte der Erdgeschichte enthielt die Atmosphäre sehr wenig Sauerstoff. Ozeanische Cynobakterien haben als erste die Sonnenenergie genutzt, um Kohlendioxid in Sauerstoff umzuwandeln. Dies war ein Wendepunkt, um die Atmosphäre zu schaffen, die viel weiter entfernt komplexes Leben entstehen ließ. Ohne das planetarische Recycling und die Regulierung zwischen Mantel, Ozeanen und Atmosphäre könnte die Erde eher wie die Venus gelandet sein.
Extremer Treibhauseffekt
Die Venus wird manchmal als der böse Zwilling der Erde bezeichnet, da sie fast gleich groß ist, aber von einer dichten, schädlichen Atmosphäre und einer glühenden Oberfläche von 470 ° C geplagt wird. Sein hoher Druck und seine hohe Temperatur sind heiß genug, um Blei zum Schmelzen zu bringen - und das Raumschiff zu zerstören, das es wagt, darauf zu landen. Dank seiner dichten Atmosphäre ist es sogar noch heißer als der Planet Merkur, der näher an der Sonne umkreist. Die dramatische Abweichung von einer erdähnlichen Umgebung wird häufig als Beispiel für einen außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt herangezogen.
Willkommen bei Venus, dem bösen Zwilling der Erde. Bild über ESA / MPS / DLR-PF / IDA.
Die Hauptwärmequelle im Sonnensystem ist die Sonnenenergie, die die Oberfläche eines Planeten erwärmt, und dann strahlt der Planet Energie zurück in den Weltraum. Eine Atmosphäre fängt einen Teil der abgehenden Energie ein und speichert Wärme - den sogenannten Treibhauseffekt. Es ist ein natürliches Phänomen, das hilft, die Temperatur eines Planeten zu regulieren. Wenn es keine Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ozon gäbe, wäre die Oberflächentemperatur der Erde etwa 30 Grad kühler als der derzeitige Durchschnitt von 15 Grad Celsius.
In den letzten Jahrhunderten hat der Mensch dieses natürliche Gleichgewicht auf der Erde verändert und den Treibhauseffekt seit Beginn der industriellen Aktivität verstärkt, indem er zusätzlich Kohlendioxid zusammen mit Stickoxiden, Sulfaten und anderen Spurengasen sowie Staub- und Rauchpartikeln in die Luft eingebracht hat. Zu den langfristigen Auswirkungen auf unseren Planeten zählen die globale Erwärmung, saurer Regen und der Abbau der Ozonschicht. Die Folgen eines sich erwärmenden Klimas sind weitreichend, wirken sich möglicherweise auf die Süßwasserressourcen, die globale Nahrungsmittelproduktion und den Meeresspiegel aus und führen zu einer Zunahme von Extremwetterereignissen.
Es gibt keine menschliche Aktivität auf der Venus, aber die Untersuchung ihrer Atmosphäre bietet ein natürliches Labor, um einen außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt besser zu verstehen. Irgendwann in ihrer Geschichte fing die Venus an, zu viel Wärme einzufangen. Früher galt es, Ozeane wie die Erde zu beherbergen, aber die zugefügte Wärme verwandelte Wasser in Dampf, und der zusätzliche Wasserdampf in der Atmosphäre fesselte immer mehr Wärme, bis ganze Ozeane vollständig verdunstet waren. Venus Express hat sogar gezeigt, dass noch heute Wasserdampf aus der Atmosphäre der Venus in den Weltraum entweicht.
Venus Express entdeckte auch eine mysteriöse Schicht von hochgelegenem Schwefeldioxid in der Atmosphäre des Planeten. Aus der Emission von Vulkanen wird Schwefeldioxid erwartet - während der Mission verzeichnete Venus Express große Veränderungen des Schwefeldioxidgehalts in der Atmosphäre. Dies führt in Höhenlagen von 50-70 km zu Schwefelsäurewolken und -tröpfchen - verbleibendes Schwefeldioxid sollte durch intensive Sonneneinstrahlung zerstört werden. Daher war es für Venus Express eine Überraschung, eine Gasschicht in einer Entfernung von 100 km zu entdecken. Es wurde festgestellt, dass verdampfende Schwefelsäuretröpfchen gasförmige Schwefelsäure freisetzen, die dann durch Sonnenlicht zersetzt wird und das Schwefeldioxidgas freisetzt.
Die Beobachtung ergänzt die Diskussion darüber, was passieren könnte, wenn große Mengen Schwefeldioxid in die Erdatmosphäre injiziert werden - ein Vorschlag, wie die Auswirkungen des Klimawandels auf die Erde gemindert werden können. Das Konzept wurde anlässlich des Vulkanausbruchs des Mount Pinatubo auf den Philippinen im Jahr 1991 demonstriert, als durch das ausgestoßene Schwefeldioxid kleine Tröpfchen konzentrierter Schwefelsäure in einer Höhe von etwa 20 km (12 Meilen) entstanden. Dies erzeugte eine Dunstschicht und kühlte unseren Planeten für einige Jahre global um etwa 0,9 Grad Fahrenheit (0,5 Grad C). Da dieser Dunst die Wärme reflektiert, wurde vorgeschlagen, dass eine Möglichkeit, die globalen Temperaturen zu senken, darin besteht, künstlich große Mengen Schwefeldioxid in unsere Atmosphäre zu injizieren. Die natürlichen Wirkungen des Mount Pinatubo boten jedoch nur einen vorübergehenden Kühleffekt. Die Untersuchung der enormen Schicht von Schwefelsäurewolkentröpfchen an der Venus bietet eine natürliche Möglichkeit, die langfristigen Auswirkungen zu untersuchen. Eine anfänglich schützende Trübung in größerer Höhe würde schließlich wieder in gasförmige Schwefelsäure umgewandelt, die transparent ist und alle Sonnenstrahlen durchlässt.Ganz zu schweigen von den Nebenwirkungen des sauren Regens, der auf der Erde schädliche Auswirkungen auf Böden, Pflanzen und Wasser haben kann.
Erdplaneten-Magnetosphären. Bild über ESA.
Globales Einfrieren
Unser anderer Nachbar, der Mars, liegt an einem anderen Extrem: Obwohl seine Atmosphäre ebenfalls überwiegend aus Kohlendioxid besteht, weist er heute kaum noch Kohlendioxid mit einem atmosphärischen Gesamtvolumen von weniger als 1 Prozent der Erdatmosphäre auf.
Die auf dem Mars herrschende Atmosphäre ist so dünn, dass Kohlendioxid zwar zu Wolken kondensiert, die Sonnenenergie jedoch nicht ausreicht, um das Oberflächenwasser zu erhalten. Es verdampft sofort an der Oberfläche. Aber mit seinem niedrigen Druck und relativ milden Temperaturen von -55 ° C (-67 ° Fahrenheit) - von -133 ° C (-207,4 ° Fahrenheit) am Winterpol bis 27 ° C (80 ° Fahrenheit) im Sommer, Raumschiff schmilzt nicht auf seiner Oberfläche und ermöglicht uns einen besseren Zugang, um seine Geheimnisse aufzudecken. Darüber hinaus sind vier Milliarden Jahre alte Gesteine dank des Mangels an Recycling-Plattentektonik für unsere Lander und Rover, die ihre Oberfläche erkunden, direkt zugänglich. Unterdessen finden unsere Orbiter, einschließlich Mars Express, der den Planeten seit mehr als 15 Jahren überwacht, ständig Beweise für seine einst fließenden Gewässer, Ozeane und Seen, was eine verlockende Hoffnung gibt, dass er einst das Leben unterstützt haben könnte.
Auch der rote Planet hätte dank der Abgabe von flüchtigen Bestandteilen von Asteroiden und Kometen und der vulkanischen Ausgasung des Planeten, als sich sein felsiges Inneres abkühlte, mit einer dickeren Atmosphäre begonnen. Es konnte einfach nicht an seiner Atmosphäre festhalten, was wahrscheinlich an der geringeren Masse und der geringeren Schwerkraft lag. Darüber hinaus hätte seine anfänglich höhere Temperatur Gasmolekülen in der Atmosphäre mehr Energie verliehen, so dass sie leichter entweichen könnten. Und nachdem die restliche Atmosphäre bereits zu Beginn ihrer Geschichte ihr globales Magnetfeld verloren hatte, war sie anschließend dem Sonnenwind ausgesetzt - einem kontinuierlichen Strom geladener Teilchen von der Sonne - der wie auf der Venus auch heute noch die Atmosphäre abstreift .
Bei abnehmender Atmosphäre bewegte sich das Oberflächenwasser unter der Erde und wurde nur dann als gewaltige Sturzfluten freigesetzt, wenn Stöße den Boden erhitzten und das unterirdische Wasser und Eis freisetzten. Es ist auch in den Polkappen eingeschlossen. Mars Express hat kürzlich auch ein Becken mit flüssigem Wasser entdeckt, das sich innerhalb von 2 km Entfernung von der Oberfläche befindet. Könnte der Beweis des Lebens auch unterirdisch sein? Diese Frage steht im Mittelpunkt des europäischen ExoMars-Rovers, der 2020 starten und 2021 landen soll, um bis zu 2 Meter unter der Oberfläche zu bohren und Proben auf der Suche nach Biomarkern abzurufen und zu analysieren.
Es wird angenommen, dass der Mars derzeit aus einer Eiszeit kommt. Wie die Erde reagiert der Mars auf Änderungen von Faktoren wie die Neigung seiner Rotationsachse, wenn er die Sonne umkreist. Es wird angenommen, dass sich die Stabilität des Wassers an der Oberfläche im Laufe von Tausenden bis Millionen von Jahren geändert hat, da sich die axiale Neigung des Planeten und seine Entfernung von der Sonne zyklisch ändern. Der ExoMars-Spurengas-Orbiter, der derzeit den roten Planeten aus der Umlaufbahn untersucht, hat kürzlich hydratisiertes Material in äquatorialen Regionen entdeckt, das frühere Standorte der Pole des Planeten in der Vergangenheit darstellen könnte.
Die Hauptaufgabe des Spurengas-Orbiters besteht darin, eine genaue Bestandsaufnahme der Atmosphäre des Planeten vorzunehmen, insbesondere der Spurengase, die weniger als 1 Prozent des gesamten Atmosphärenvolumens des Planeten ausmachen. Von besonderem Interesse ist Methan, das auf der Erde hauptsächlich durch biologische Aktivität sowie durch natürliche und geologische Prozesse erzeugt wird. Hinweise auf Methan wurden zuvor von Mars Express und später von NASAs Curiosity Rover auf der Oberfläche des Planeten gemeldet, aber die hochempfindlichen Instrumente des Trace Gas Orbiter haben bisher ein allgemeines Fehlen des Gases gemeldet, was das Rätsel vertieft. Um die unterschiedlichen Ergebnisse zu untermauern, untersuchen die Wissenschaftler nicht nur, wie Methan entstehen kann, sondern auch, wie es in der Nähe der Oberfläche zerstört werden kann. Allerdings erzeugen nicht alle Lebensformen Methan, und der Rover mit seinem unterirdischen Bohrer wird uns hoffentlich mehr erzählen können. Die weitere Erforschung des roten Planeten wird uns sicherlich helfen zu verstehen, wie und warum sich das Bewohnbarkeitspotential des Mars im Laufe der Zeit verändert hat.
Ausgetrocknetes Flusstal-Netzwerk auf dem Mars. Bild über ESA / DLR / FU Berlin.
Weiter erforschen
Obwohl die Nachbarn der Erde mit denselben Zutaten begannen, erlitten sie verheerende Klimakatastrophen und konnten ihr Wasser nicht lange halten. Die Venus wurde zu heiß und der Mars zu kalt. nur die Erde wurde der "Goldlöckchen" -Planet mit den richtigen Bedingungen. Sind wir in einer früheren Eiszeit beinahe marsähnlich geworden? Wie nah sind wir dem außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt, der die Venus plagt? Das Verständnis der Entwicklung dieser Planeten und der Rolle ihrer Atmosphären ist von enormer Bedeutung für das Verständnis klimatischer Veränderungen auf unserem eigenen Planeten, da letztendlich alle von denselben physikalischen Gesetzen regiert werden. Die von unserem umlaufenden Raumschiff zurückgegebenen Daten erinnern auf natürliche Weise daran, dass Klimastabilität keine Selbstverständlichkeit ist.
Auf jeden Fall ist eine Treibhauserde auf lange Sicht - Milliarden von Jahren in die Zukunft - ein unvermeidliches Ergebnis der alternden Sonne. Unser einst lebensspendender Stern wird schließlich anschwellen und aufhellen und so viel Wärme in das empfindliche System der Erde einbringen, dass unsere Ozeane zum Kochen gebracht werden.
Fazit: Die Atmosphären der Planeten Mars und Venus können uns viel über vergangene und zukünftige Szenarien für die Erde beibringen.