Atmosfer 2 tetangga kita, Mars dan Venus dapat mengajarkan kita banyak hal tentang skenario masa lalu dan masa depan untuk planet kita sendiri.
Bulan, Mars, dan Venus menjulang di atas cakrawala Bumi. Gambar melalui ESA / NASA.
Artikel ini buluh dari European Space Agency (ESA)
Seseorang memiliki atmosfer beracun yang tebal, ia hampir tidak memiliki atmosfer sama sekali, dan satu saja yang tepat bagi kehidupan untuk berkembang - tetapi tidak selalu seperti itu. Atmosfer dua tetangga kita, Venus dan Mars dapat mengajarkan kita banyak tentang skenario masa lalu dan masa depan untuk planet kita sendiri.
Putar balik 4,6 miliar tahun dari hari ini ke halaman konstruksi planet, dan kita melihat bahwa semua planet memiliki sejarah yang sama: mereka semua dilahirkan dari awan gas dan debu yang berputar-putar, dengan matahari yang baru lahir tersulut di pusatnya. Perlahan tapi pasti, dengan bantuan gravitasi, debu menumpuk menjadi batu-batu besar, akhirnya berseluncur salju menjadi entitas seukuran planet.
Material berbatu bisa menahan panas yang terdekat dengan matahari, sementara gas, bahan es hanya bisa bertahan lebih jauh, sehingga memunculkan planet terestrial terdalam dan masing-masing raksasa gas dan raksasa es. Sisanya membuat asteroid dan komet.
Atmosfer planet berbatu terbentuk sebagai bagian dari proses pembangunan yang sangat energik, sebagian besar dengan outgassing ketika mereka mendingin, dengan beberapa kontribusi kecil dari letusan gunung berapi dan pengiriman kecil air, gas dan bahan lainnya oleh komet dan asteroid. Dari waktu ke waktu atmosfer mengalami evolusi yang kuat berkat kombinasi faktor-faktor rumit yang akhirnya mengarah ke status saat ini, dengan Bumi menjadi satu-satunya planet yang dikenal untuk mendukung kehidupan, dan satu-satunya dengan air cair di permukaannya hari ini.
Kita tahu dari misi ruang angkasa seperti ESA's Venus Express, yang mengamati Venus dari orbit antara 2006 dan 2014, dan Mars Express, yang menyelidiki planet merah sejak 2003, bahwa air cair pernah mengalir di planet saudara kita juga. Sementara air di Venus telah lama mendidih, di Mars itu terkubur di bawah tanah atau dikunci dalam es. Terkait erat dengan kisah air - dan akhirnya dengan pertanyaan besar apakah kehidupan bisa muncul di luar Bumi - adalah keadaan atmosfer planet. Dan terhubung dengan itu, interaksi dan pertukaran bahan antara atmosfer dan lautan, dan interior berbatu di planet ini.
Perbandingan dari 4 planet terestrial (artinya 'mirip Bumi') di tata surya bagian dalam kita: Merkurius, Venus, Bumi dan Mars. Gambar melalui ESA.
Daur ulang planet
Kembali ke planet kita yang baru terbentuk, dari sebuah bola batu cair dengan mantel yang mengelilingi inti yang padat, mereka mulai mendingin. Bumi, Venus, dan Mars semuanya mengalami aktivitas outgassing pada masa-masa awal ini, yang membentuk atmosfer muda, panas dan padat pertama. Saat atmosfer ini juga mendingin, lautan pertama menghujani dari langit.
Namun, pada tahap tertentu, karakteristik aktivitas geologis dari tiga planet berbeda. Tutup bumi yang kokoh pecah menjadi lempeng-lempeng, di beberapa tempat menyelam di bawah lempeng lain di zona subduksi, dan di tempat-tempat lain bertabrakan untuk menciptakan barisan pegunungan yang luas atau menarik terpisah untuk menciptakan celah raksasa atau kerak baru. Lempeng tektonik bumi masih bergerak hari ini, sehingga menimbulkan letusan gunung berapi atau gempa bumi di perbatasannya.
Venus, yang hanya sedikit lebih kecil dari Bumi, mungkin masih memiliki aktivitas vulkanik saat ini, dan permukaannya tampaknya telah muncul kembali dengan lava baru-baru ini setengah miliar tahun yang lalu. Saat ini ia tidak memiliki sistem lempeng tektonik yang dapat dilihat; gunung berapi itu kemungkinan ditenagai oleh bulu-bulu termal yang naik melalui mantel - diciptakan dalam proses yang dapat disamakan dengan "lampu lava" tetapi dalam skala raksasa.
Mars dari horizon ke horizon. Gambar melalui ESA / DLR / FU Berlin
Mars, yang jauh lebih kecil, mendingin lebih cepat daripada Bumi dan Venus, dan ketika gunung-gunung bernya punah, ia kehilangan cara utama untuk mengisi kembali atmosfernya. Tetapi gunung ini masih memiliki gunung berapi terbesar di seluruh tata surya, Olympus Mons setinggi 16 mil (25 km), kemungkinan juga merupakan hasil dari bangunan vertikal kerak yang terus menerus dari gumpalan yang naik dari bawah. Meskipun ada bukti untuk aktivitas tektonik dalam 10 juta tahun terakhir, dan bahkan marsquake di masa sekarang, planet ini juga tidak diyakini memiliki sistem tektonik mirip Bumi.
Bukan hanya lempeng tektonik global saja yang membuat Bumi istimewa, tetapi kombinasi unik dengan lautan. Saat ini, lautan kita, yang menutupi sekitar dua pertiga permukaan Bumi, menyerap dan menyimpan sebagian besar panas planet kita, mengangkutnya di sepanjang arus di seluruh dunia. Ketika lempeng tektonik diseret ke dalam mantel, ia menghangat dan melepaskan air dan gas yang terperangkap di bebatuan, yang kemudian meresap melalui lubang hidrotermal di dasar laut.
Bentuk kehidupan yang sangat kuat telah ditemukan di lingkungan seperti itu di dasar lautan Bumi, memberikan petunjuk tentang bagaimana kehidupan awal mungkin telah dimulai, dan memberikan para ilmuwan petunjuk tentang ke mana harus mencari tempat lain di tata surya: Europa bulan Jupiter, atau bulan es dingin Saturnus Enceladus misalnya, yang menyembunyikan lautan air cair di bawah lapisan esnya, dengan bukti dari misi ruang angkasa seperti Cassini yang menyarankan aktivitas hidrotermal mungkin ada.
Selain itu, lempeng tektonik membantu memodulasi atmosfer kita, mengatur jumlah karbon dioksida di planet kita dalam rentang waktu yang panjang. Ketika karbon dioksida atmosfer bergabung dengan air, asam karbonat terbentuk, yang pada gilirannya melarutkan batu. Hujan membawa asam karbonat dan kalsium ke lautan - karbon dioksida juga dilarutkan langsung di lautan - di mana ia disikluskan kembali ke dasar laut. Selama hampir setengah dari sejarah Bumi, atmosfer mengandung sangat sedikit oksigen. Cynobacteria oseanik adalah yang pertama menggunakan energi matahari untuk mengubah karbon dioksida menjadi oksigen, titik balik dalam menyediakan atmosfer yang jauh di garis bawah memungkinkan kehidupan kompleks berkembang. Tanpa daur ulang planet dan pengaturan antara mantel, lautan, dan atmosfer, Bumi mungkin berakhir lebih seperti Venus.
Efek rumah kaca yang ekstrem
Venus kadang-kadang disebut sebagai kembaran jahat Bumi karena ukurannya hampir sama tetapi diganggu dengan atmosfer berbahaya yang tebal dan permukaan 470ºC (878 F) yang lebih panas. Tekanan dan suhunya yang tinggi cukup panas untuk melelehkan timah - dan menghancurkan pesawat ruang angkasa yang berani mendarat di atasnya. Berkat atmosfernya yang padat, bahkan lebih panas daripada planet Merkurius, yang mengorbit lebih dekat ke matahari. Penyimpangan dramatis dari lingkungan mirip Bumi sering digunakan sebagai contoh dari apa yang terjadi dalam efek rumah kaca yang tak terkendali.
Selamat datang di Venus, kembaran jahat Bumi. Gambar melalui ESA / MPS / DLR-PF / IDA.
Sumber panas utama di tata surya adalah energi matahari, yang menghangatkan permukaan planet, dan kemudian planet itu memancarkan energi kembali ke ruang angkasa. Atmosfer memerangkap sebagian energi keluar, menahan panas - yang disebut efek rumah kaca. Ini adalah fenomena alam yang membantu mengatur suhu planet. Jika itu bukan gas rumah kaca seperti uap air, karbon dioksida, metana, dan ozon, suhu permukaan bumi akan menjadi sekitar 30 derajat lebih dingin daripada suhu rata-rata 59 derajat Fahrenheit (15 derajat C) saat ini.
Selama berabad-abad yang lalu, manusia telah mengubah keseimbangan alami ini di Bumi, memperkuat efek rumah kaca sejak awal aktivitas industri dengan menyumbangkan karbon dioksida tambahan bersama dengan nitrogen oksida, sulfat dan gas jejak lainnya serta debu dan partikel asap ke udara. Efek jangka panjang di planet kita termasuk pemanasan global, hujan asam dan menipisnya lapisan ozon. Konsekuensi dari iklim pemanasan adalah jangkauan jauh, berpotensi mempengaruhi sumber daya air tawar, produksi pangan global dan permukaan laut, dan memicu peningkatan kejadian cuaca ekstrem.
Tidak ada aktivitas manusia di Venus, tetapi mempelajari suasananya menyediakan laboratorium alami untuk lebih memahami efek rumah kaca yang tak terkendali. Pada titik tertentu dalam sejarahnya, Venus mulai menjebak terlalu banyak panas. Dulu dianggap sebagai tuan rumah bagi lautan seperti Bumi, tetapi panas yang ditambahkan mengubah air menjadi uap, dan pada gilirannya, uap air tambahan di atmosfer terperangkap semakin banyak panas sampai seluruh samudera benar-benar menguap. Venus Express bahkan menunjukkan bahwa uap air masih keluar dari atmosfer Venus dan ke luar angkasa saat ini.
Venus Express juga menemukan lapisan misterius sulfur dioksida ketinggian tinggi di atmosfer planet ini. Sulfur dioksida diharapkan dari emisi gunung berapi - selama durasi misi Venus Express mencatat perubahan besar dalam kandungan sulfur dioksida di atmosfer. Ini mengarah ke awan asam sulfat dan tetesan di ketinggian sekitar 31-44 mil (50-70 km) - sulfur dioksida yang tersisa harus dihancurkan oleh radiasi matahari yang intens. Jadi, merupakan kejutan bagi Venus Express untuk menemukan lapisan gas sekitar 100 km. Ditentukan bahwa menguapkan tetesan asam sulfat bebas asam sulfat gas yang kemudian pecah oleh sinar matahari, melepaskan gas sulfur dioksida.
Pengamatan menambah diskusi apa yang mungkin terjadi jika sejumlah besar sulfur dioksida disuntikkan ke atmosfer Bumi - sebuah proposal yang dibuat untuk bagaimana mengurangi dampak perubahan iklim di Bumi. Konsep ini didemonstrasikan dari letusan gunung berapi Gunung Pinatubo 1991 di Filipina, ketika belerang dioksida dikeluarkan dari letusan menciptakan tetesan kecil asam sulfat pekat - seperti yang ditemukan di awan Venus - sekitar 12 mil (20 km) ketinggian. Ini menghasilkan lapisan kabut dan mendinginkan planet kita secara global sekitar 0,9 derajat Fahrenheit (0,5 derajat C) selama beberapa tahun. Karena kabut ini memantulkan panas, telah diusulkan bahwa salah satu cara untuk mengurangi suhu global adalah dengan menyuntikkan sulfur dioksida dalam jumlah besar ke atmosfer kita. Namun, efek alami dari Gunung Pinatubo hanya menawarkan efek pendinginan sementara. Mempelajari lapisan besar tetesan awan asam sulfat di Venus menawarkan cara alami untuk mempelajari efek jangka panjang; kabut yang awalnya melindungi pada ketinggian yang lebih tinggi pada akhirnya akan diubah kembali menjadi asam sulfat gas, yang transparan dan memungkinkan semua sinar matahari melewatinya.Belum lagi efek samping hujan asam, yang di Bumi dapat menyebabkan efek berbahaya pada tanah, kehidupan tanaman dan air.
Magnetosfer planet terestrial. Gambar melalui ESA.
Pembekuan global
Tetangga kita yang lain, Mars, terletak pada ekstrem yang lain: meskipun atmosfernya juga didominasi karbon dioksida, hari ini atmosfernya hampir tidak ada sama sekali, dengan volume atmosfer total kurang dari 1 persen dari Bumi.
Atmosfer Mars yang ada sangat tipis sehingga meskipun karbon dioksida mengembun menjadi awan, ia tidak dapat mempertahankan energi yang cukup dari matahari untuk mempertahankan air permukaan - ia menguap langsung di permukaan. Tetapi dengan tekanan rendah dan suhu yang relatif sejuk -67 derajat Fahrenheit (-55 derajat C) - mulai dari -207,4 derajat Fahrenheit (-133 derajat C) di kutub musim dingin hingga 80 derajat Fahrenheit (27 derajat C) selama musim panas, pesawat ruang angkasa jangan meleleh di permukaannya, memungkinkan kita akses lebih besar untuk mengungkap rahasianya. Selain itu, berkat kurangnya tektonik lempeng daur ulang di planet ini, batu berumur empat miliar tahun dapat diakses langsung oleh pendarat kami dan penjelajah menjelajahi permukaannya. Sementara itu, pengorbit kami, termasuk Mars Express, yang telah mensurvei planet ini selama lebih dari 15 tahun, terus-menerus menemukan bukti untuk perairan, laut, dan danau yang dulu mengalir, memberi harapan menggiurkan bahwa planet itu pernah mendukung kehidupan.
Planet merah juga akan dimulai dengan atmosfer yang lebih tebal berkat pengiriman volatil dari asteroid dan komet, dan ledakan gunung berapi dari planet ini ketika interior berbatunya mendingin. Itu hanya tidak bisa mempertahankan atmosfernya kemungkinan besar karena massa yang lebih kecil dan gravitasi yang lebih rendah. Selain itu, suhu awalnya yang lebih tinggi akan memberi lebih banyak energi untuk molekul gas di atmosfer, memungkinkan mereka untuk melarikan diri lebih mudah. Dan, setelah kehilangan medan magnet globalnya di awal sejarahnya, atmosfer yang tersisa kemudian terkena angin matahari - aliran partikel bermuatan yang terus menerus dari matahari - yang, seperti halnya di Venus, terus melepaskan atmosfer bahkan hingga hari ini .
Dengan atmosfer yang berkurang, air permukaan bergerak ke bawah tanah, dilepaskan sebagai banjir besar hanya ketika dampak memanaskan tanah dan melepaskan air dan es di bawah permukaan. Itu juga terkunci di es di kutub. Mars Express juga baru-baru ini mendeteksi genangan air cair yang terkubur dalam jarak 1,24 mil (2 km) dari permukaan. Mungkinkah bukti kehidupan juga berada di bawah tanah? Pertanyaan ini adalah jantung dari penjelajah ExoMars Eropa, yang dijadwalkan untuk diluncurkan pada tahun 2020 dan mendarat pada tahun 2021 untuk mengebor hingga 6,6 kaki (2 meter) di bawah permukaan untuk mengambil dan menganalisis sampel dalam mencari biomarker.
Mars diperkirakan sedang keluar dari zaman es. Seperti halnya Bumi, Mars sensitif terhadap perubahan faktor-faktor seperti kemiringan sumbu rotasinya ketika mengorbit matahari; Diperkirakan bahwa stabilitas air di permukaan telah bervariasi selama ribuan hingga jutaan tahun karena kemiringan aksial planet ini dan jaraknya dari matahari mengalami perubahan siklus. ExoMars Trace Gas Orbiter, yang saat ini menyelidiki planet merah dari orbit, baru-baru ini mendeteksi bahan terhidrasi di daerah khatulistiwa yang dapat mewakili lokasi bekas kutub planet di masa lalu.
Misi utama Trace Gas Orbiter adalah untuk melakukan inventarisasi yang tepat untuk atmosfer planet ini, khususnya gas jejak yang membentuk kurang dari 1 persen dari total volume atmosfer planet. Yang menarik adalah metana, yang di Bumi sebagian besar dihasilkan oleh aktivitas biologis, dan juga oleh proses alam dan geologis. Petunjuk metana sebelumnya telah dilaporkan oleh Mars Express, dan kemudian oleh NASA Curiosity menjelajah di permukaan planet ini, tetapi instrumen Trace Gas Orbiter sejauh ini melaporkan tidak adanya gas secara umum, memperdalam misteri tersebut. Untuk menguatkan hasil yang berbeda, para ilmuwan tidak hanya menyelidiki bagaimana metana dapat dibuat, tetapi juga bagaimana itu dapat dihancurkan dekat dengan permukaan. Namun, tidak semua makhluk hidup menghasilkan metana, dan penjelajah dengan bor bawah tanahnya semoga dapat memberi tahu kami lebih banyak. Tentu saja penjelajahan planet merah yang berkelanjutan akan membantu kita memahami bagaimana dan mengapa potensi kelayakhunian Mars telah berubah dari waktu ke waktu.
Jaringan lembah sungai yang kering di Mars. Gambar melalui ESA / DLR / FU Berlin.
Menjelajahi lebih jauh
Meskipun dimulai dengan bahan yang sama, tetangga Bumi menderita bencana iklim yang menghancurkan dan tidak bisa bertahan lama di air. Venus menjadi terlalu panas dan Mars terlalu dingin; hanya Bumi yang menjadi planet "Goldilocks" dengan kondisi yang tepat. Apakah kita hampir menjadi seperti Mars di zaman es sebelumnya? Seberapa dekat kita dengan efek rumah kaca yang melanda Venus? Memahami evolusi planet-planet ini dan peran atmosfernya sangat penting untuk memahami perubahan iklim di planet kita sendiri karena pada akhirnya hukum fisika yang sama mengatur semuanya. Data yang dikembalikan dari pesawat ruang angkasa kami yang mengorbit memberikan pengingat alami bahwa stabilitas iklim bukanlah sesuatu yang bisa diterima begitu saja.
Bagaimanapun, dalam jangka waktu yang sangat panjang - miliaran tahun ke depan - Bumi rumah kaca adalah hasil yang tak terelakkan di tangan matahari yang menua. Bintang kita yang dulu memberi kehidupan pada akhirnya akan membengkak dan mencerahkan, menyuntikkan cukup panas ke dalam sistem bumi yang halus untuk merebus lautan kita, membawanya ke jalur yang sama dengan kembarannya yang jahat.
Intinya: Atmosfer planet Mars dan Venus dapat mengajarkan kita banyak tentang skenario masa lalu dan masa depan untuk Bumi.