Cómo Venus y Marte nos pueden enseñar sobre la Tierra

La luna, Marte y Venus se elevan sobre el horizonte de la Tierra. Imagen vía ESA / NASA.

Este artículo está reimpreso de la Agencia Espacial Europea (ESA)

Uno tiene una atmósfera espesa y venenosa, uno apenas tiene atmósfera, y uno es perfecto 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 4.600 millones de años desde el día de hoy hasta el patio de construcción planetaria, y vemos que todos los planetas comparten una historia común: todos nacieron de la misma nube de gas y polvo, con el sol recién nacido encendido en el centro. Lento pero seguro, con la ayuda de la gravedad, el polvo se acumuló en rocas, y finalmente se convirtió en una bola de nieve en entidades del tamaño de un planeta.

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

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

Sabemos por misiones espaciales como Venus Express de la ESA, que observó a Venus desde la órbita entre 2006 y 2014, y Mars Express, investigando el planeta rojo desde 2003, que el agua líquida también fluyó una vez en nuestros planetas hermanos. Si bien el agua en Venus se ha evaporado hace mucho tiempo, en Marte está enterrada bajo tierra o encerrada en capas de hielo. Íntimamente relacionado con la historia del agua, y en última instancia con 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 y el intercambio de material entre la atmósfera y los océanos, y el interior rocoso del planeta.

Una comparación de los 4 planetas terrestres (que significa 'similar a la Tierra') de nuestro sistema solar interno: Mercurio, Venus, Tierra y Marte. Imagen vía ESA.

Reciclaje planetario

De vuelta en nuestros planetas recién formados, desde una bola de roca fundida con un manto que rodea un núcleo denso, comenzaron a enfriarse. La Tierra, Venus y Marte experimentaron actividad de desgasificación en estos primeros días, que formaron las primeras atmósferas jóvenes, cálidas y densas. Como estas atmósferas también se enfriaron, los primeros océanos llovieron desde los cielos.

Sin embargo, en algún momento, las características de la actividad geológica de los tres planetas divergieron. La tapa sólida de la Tierra se rompió en placas, en algunos lugares se zambulló debajo de otra placa en zonas de subducción, y en otros lugares colisionó para crear grandes cadenas montañosas o se separó para crear grietas gigantes o 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 pequeño que la Tierra, todavía puede tener actividad volcánica hoy, y su superficie parece haber resurgido con lavas hace tan solo medio billón de años. Hoy no tiene un sistema de tectónica de placas discernible; sus volcanes probablemente fueron alimentados por plumas térmicas que se elevaban a través del manto creado en un proceso que se puede comparar con una "lámpara de lava" pero a una escala gigantesca.

Marte de horizonte a horizonte. Imagen vía ESA / DLR / FU Berlin

Marte, siendo mucho más pequeño, se enfrió más rápido 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 16 millas (25 km) de altura, probablemente también el resultado de la construcción vertical continua de la corteza a partir de columnas que se elevan desde abajo. A pesar de que 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 solo la tectónica de placas global 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, absorben y almacenan gran parte del calor de nuestro planeta, transportándolo a lo largo de las corrientes alrededor del globo. Cuando 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, proporcionando pistas sobre cómo pudo haber comenzado la vida temprana, y dando a los científicos consejos sobre dónde buscar en otro lugar del sistema solar: la luna Europa de Júpiter o la luna helada de Saturno Encelado. por ejemplo, que ocultan océanos de agua líquida debajo de sus costras heladas, con evidencia de misiones espaciales como Cassini que sugiere que puede haber actividad hidrotérmica.

Además, la tectónica de placas ayuda a modular nuestra atmósfera, regulando la cantidad de dióxido de carbono en nuestro planeta a largo plazo. 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 nuevamente en el 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 para proporcionar la atmósfera que mucho más adelante permitió que floreciera la vida compleja. Sin el reciclaje y la regulación planetaria entre el manto, los océanos y la atmósfera, la Tierra podría haber terminado más como Venus.

Efecto invernadero extremo

Venus a veces se conoce como el gemelo malvado de la Tierra debido a que tiene casi el mismo tamaño pero está plagado de una atmósfera nociva y una superficie sofocante de 470ºC (878 F). Su alta presión y temperatura son lo suficientemente altas como para derretir el plomo y destruir la nave espacial que se atreve a aterrizar sobre ella. Gracias a su densa atmósfera, es incluso más caliente que el planeta Mercurio, que orbita más cerca del sol. Su desviación dramática de un entorno similar a la Tierra a menudo se usa como un ejemplo de lo que sucede en un efecto invernadero desbocado.

Bienvenido a Venus, el gemelo malvado de la Tierra. Imagen a través de ESA / MPS / DLR-PF / IDA.

La principal fuente de calor en el sistema solar es la energía del sol, que calienta la superficie de un planeta, y luego el planeta irradia energía al espacio. Una atmósfera atrapa parte de la energía saliente y retiene 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, el dióxido de carbono, el metano y el ozono, la temperatura de la superficie de la Tierra sería aproximadamente 30 grados más fría que su promedio actual de 59 grados Fahrenheit (15 grados C).

Durante los últimos siglos, los humanos han alterado este equilibrio natural en la Tierra, fortaleciendo el efecto invernadero desde los albores de la actividad industrial al aportar 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, la lluvia ácida y el agotamiento de la capa de ozono. Las consecuencias de un calentamiento climático son de largo alcance, que pueden afectar los recursos de agua dulce, la producción mundial de alimentos y el nivel del mar, y desencadenar un aumento de los fenómenos meteorológicos extremos.

No hay actividad humana en Venus, pero estudiar 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 adicional convirtió el agua en vapor y, a su vez, el vapor de agua adicional en la atmósfera atrapó más y 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 y se dirige al espacio hoy.

Venus Express también descubrió una misteriosa capa de dióxido de azufre a gran altitud en la atmósfera del planeta. Se espera dióxido de azufre a partir 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 y gotas de ácido sulfúrico a altitudes de aproximadamente 31-44 millas (50-70 km): cualquier dióxido de azufre restante debe ser destruido por la intensa radiación solar. Por lo tanto, fue una sorpresa para Venus Express descubrir una capa de gas a unos 100 km (62 millas). Se determinó que las gotas de ácido sulfúrico en evaporación liberan ácido sulfúrico gaseoso que luego se separa por la luz solar, liberando el gas de dióxido de azufre.

La observación agrega a la discusión lo que podría suceder si se inyectan grandes cantidades de dióxido de azufre en la atmósfera de la Tierra, una propuesta hecha sobre cómo mitigar los efectos del cambio climático 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 los que se encuentran en las nubes de Venus, a aproximadamente 20 kilómetros de altitud. Esto generó una capa de bruma y enfrió nuestro planeta a nivel mundial en aproximadamente .9 grados Fahrenheit (.5 grados C) 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 de enfriamiento temporal. Estudiar 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 de nuevo 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, la vida vegetal y el agua.

Planeta terrestre magnetosferas. Imagen vía ESA.

Congelación global

Nuestro otro vecino, Marte, se encuentra en otro extremo: aunque su atmósfera también es predominantemente dióxido de carbono, hoy apenas tiene nada, con un volumen atmosférico total inferior al 1 por ciento 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 superficial; se vaporiza instantáneamente en la superficie. Pero con su baja presión y temperaturas relativamente suaves de -67 grados Fahrenheit (-55 grados C), que van desde -207.4 grados Fahrenheit (-133 grados C) en el polo invernal hasta 80 grados Fahrenheit (27 grados C) durante el verano, las naves espaciales no se derrita en su superficie, lo que nos permite un mayor acceso para descubrir sus secretos. Además, gracias a la falta de reciclaje de placas tectónicas en el planeta, las rocas y los rovers de cuatro mil millones de años de antigüedad son accesibles directamente para explorar su superficie. Mientras tanto, nuestros orbitadores, incluido Mars Express, que ha estado inspeccionando el planeta durante más de 15 años, están constantemente encontrando evidencia de sus aguas, océanos y lagos, que alguna vez fluyeron, 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 los asteroides y los cometas, y la desgasificación volcánica del planeta a medida que su interior rocoso se enfriaba. Simplemente no pudo mantener su atmósfera probablemente 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, después de haber perdido también su campo magnético global al principio de su historia, la atmósfera restante se expuso posteriormente al viento solar, un flujo continuo de partículas cargadas del sol, que, al igual que en Venus, continúa quitando la atmósfera incluso hoy. .

Con una atmósfera disminuida, el agua superficial se movió bajo tierra, liberada como grandes inundaciones repentinas solo cuando los impactos calentaron el suelo y liberaron el agua y el hielo subterráneos. También está encerrado en los casquetes polares. Mars Express también detectó recientemente una piscina de agua líquida enterrada a 1, 24 millas (2 km) de la superficie. ¿Podría la evidencia de la vida también ser subterránea? Esta pregunta está en el corazón del rover ExoMars de Europa, programado para lanzarse en 2020 y aterrizar en 2021 para perforar hasta 6.6 pies (2 metros) debajo de la superficie para recuperar y analizar muestras en busca de biomarcadores.

Se cree que Marte está saliendo actualmente de una era de hielo. Al igual que la Tierra, Marte es sensible a los cambios en factores como la inclinación de su eje de rotación cuando orbita alrededor del sol; Se cree que la estabilidad del agua en la superficie ha variado de miles a millones de años a medida que la inclinación axial del planeta y su distancia del sol experimentan cambios cíclicos. El ExoMars Trace Gas Orbiter, que actualmente investiga el planeta rojo desde su órbita, detectó recientemente material hidratado en regiones ecuatoriales que podrían representar ubicaciones anteriores de los polos del planeta en el pasado.

La misión principal del Orbitador de gas de rastreo es realizar un inventario preciso de la atmósfera del planeta, en particular los gases de rastreo que constituyen menos del 1 por ciento del volumen total de atmósfera del planeta. De particular interés es el metano, que en la Tierra se produce en gran medida por la actividad biológica, y también por procesos naturales y geológicos. Mars Express ha informado previamente sobre indicios de metano, y más tarde 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 de una ausencia general del gas., profundizando el misterio. Para corroborar los diferentes resultados, los científicos no solo están investigando cómo se podría crear metano, sino también cómo podría destruirse cerca de la superficie. Sin embargo, no todas las formas de vida generan metano y, con suerte, el rover con su perforación subterránea 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.

Red seca del valle del río en Marte. Imagen vía ESA / DLR / FU Berlin.

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; solo la Tierra se convirtió en el planeta "Ricitos de oro" con las condiciones adecuadas. ¿Nos acercamos a convertirnos en algo parecido a Marte en una era de hielo anterior? ¿Qué tan cerca estamos del efecto invernadero desbocado que afecta 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 rigen a todos. Los datos devueltos por nuestra nave espacial en órbita brindan recordatorios naturales de que la estabilidad climática no es algo que se dé por sentado.

En cualquier caso, a muy largo plazo, miles de millones de años en el futuro, un invernadero de la Tierra es un resultado inevitable a manos del sol que envejece. Nuestra estrella, una vez que da vida, eventualmente se hinchará y se iluminará, inyectando suficiente calor en el delicado sistema de la Tierra para hervir nuestros océanos, enviándolo por el mismo camino que su gemelo malvado.

En pocas palabras: las atmósferas de los planetas Marte y Venus pueden enseñarnos mucho sobre los escenarios pasados ​​y futuros de la Tierra.