Venus vs. Earth:Understanding Planetary Evolution and Habitability
Mark Belan/Περιοδικό Quanta
Mark Belan/Περιοδικό Quanta
Μια ομάδα επιστημόνων ερεύνησε πώς το δίδυμο της Γης έγινε τόσο αφιλόξενο και αν το ίδιο θα συμβεί στον πλανήτη μας.
Η Αφροδίτη είναι αναμφισβήτητα το χειρότερο μέρος στο ηλιακό σύστημα. Ένας μανδύας διοξειδίου του άνθρακα πνίγει τον πλανήτη, υποβάλλοντας την επιφάνειά του σε πίεση που συνθλίβει το κρανίο. Το θειικό οξύ πέφτει βροχή μέσα από τον άρρωστο κίτρινο ουρανό, αλλά δεν φτάνει ποτέ στο έδαφος που έχει γλείφει η λάβα. Η Αφροδίτη είναι τόσο ζεστή — αρκετά ζεστή για να λιώσει το μόλυβδο — που η όξινη βροχή εξατμίζεται καθώς πέφτει.
Η ακραία αφιλοξενία του πλανήτη βρίσκεται στην καρδιά ενός από τα πιο συναρπαστικά μυστήρια στην πλανητική επιστήμη. Η Αφροδίτη και η Γη σχηματίστηκαν ταυτόχρονα, από τα ίδια γεωλογικά δομικά στοιχεία, στο ίδιο σχεδόν μέρος του ηλιακού συστήματος. Έχουν ακόμη και το ίδιο μέγεθος. Γιατί λοιπόν η Αφροδίτη είναι ένα τοπίο κόλασης και η Γη ένας κήπος;
Ένα κοινό ρεφρέν στην επιστημονική κοινότητα είναι ότι η Αφροδίτη είναι μόλις μερικά βήματα μπροστά - ότι αντιπροσωπεύει την τελική κατάσταση όλων των μεγάλων βραχωδών πλανητών, συμπεριλαμβανομένης της Γης. Η υπόθεση είναι ότι αυτοί οι πλανήτες χάνουν τελικά την ικανότητα να δεσμεύουν τα αέρια του θερμοκηπίου που προκαλούν τη θέρμανση των πλανητών στο γεωλογικό τους κάτω μέρος. Όταν στη συνέχεια αυτά τα αέρια συσσωρεύονται στην ατμόσφαιρα, ο κόσμος εισέρχεται σε μια κατάσταση θερμοκηπίου - όπως το ζεστό κλίμα της Αφροδίτης που βράζει. «Με τα χρόνια, πάντα ακούγαμε ότι η Αφροδίτη είναι μια προεπισκόπηση του μέλλοντος της Γης», δήλωσε ο Stephen Kane, πλανητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Riverside.
Είναι όμως αλήθεια αυτή η μακροχρόνια υπόθεση; Σε εκατοντάδες εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια, το κλίμα της Γης θα ακολουθήσει το δρόμο της Αφροδίτης, μεταβαίνοντας από έναν εύκρατο κόσμο σε ένα καταστροφικό θερμοκήπιο; Ο Κέιν και οι συνεργάτες του προσπαθούσαν να το ανακαλύψουν. Η Αφροδίτη και η Γη συχνά αναφέρονται ως δίδυμα, με την Αφροδίτη να είναι η κακιά του ζευγαριού. Στο έργο τους Reuniting Twins, οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα ψηφιακό μοντέλο της Γης που συνδυάζει ηλιακή φυσική, ηφαιστειολογία, τεκτονική πλακών και επιστήμη του κλίματος. Έχουν ωθήσει το μοντέλο της Γης στα άκρα της, προσπαθώντας με κάθε εύλογο τρόπο να τη σπάσουν και να την κάνουν στην Αφροδίτη.
Εκτός από την εξερεύνηση του τι πήγε τόσο στραβά στον δεύτερο βράχο από τον ήλιο, αυτό το έργο μιλά για ένα ερώτημα πιο κοντά στο σπίτι, είπε ο Paul Byrne, πλανητολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις, ο οποίος δεν συμμετείχε άμεσα στο έργο:«Πόσο καιρό είναι κατοικήσιμη η Γη;»
Η Αφροδίτη είναι 95% τόσο ευρεία όσο η Γη και 81,5% τόσο μεγάλη.
NASA
A Planetary Whodunit
Η πρόβλεψη του μέλλοντος της Γης απαιτεί κατανόηση του παρελθόντος της Αφροδίτης. Πριν από πολύ καιρό, η Αφροδίτη μπορεί να μην ήταν πολύ διαφορετική από το πώς είναι τώρα η Γη. Έρευνες με διαστημόπλοια και τηλεσκοπικές παρατηρήσεις έχουν αποκαλύψει την ύπαρξη μιας σπάνιας, βαριάς μορφής νερού στην ατμόσφαιρα της Αφροδίτης — ένα ενδεικτικό σημάδι ότι το κανονικό νερό ήταν άφθονο στον πλανήτη.
Οι ερευνητές συζητούν πώς αυτό το νερό βρισκόταν εκεί. Μια πιθανότητα είναι ότι το νερό στη νεαρή Αφροδίτη σχημάτισε ατμό που κυματίστηκε πάνω από τη θάλασσα του μάγματος καλύπτοντας την επιφάνεια του νεογέννητου πλανήτη. Αυτός ο υδρατμός, ένα ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου, θα είχε ωθήσει τον κόσμο σε μια κατάσταση θερμοκηπίου που καίει πολύ λίγο μετά τη γέννησή του. Εναλλακτικά, η αρχική, πλανητική θάλασσα μάγματος της Αφροδίτης μπορεί να έχει κρυώσει και να έχει σκληρυνθεί σε φλοιό αρκετά γρήγορα ώστε να ρέει σε υγρό νερό - ίσως ακόμη και νερό όσο ένας ωκεανός. Αν αυτό είναι αλήθεια, τότε τι έγινε με όλο αυτό το νερό;
Το 2020, ο Μάικλ Γουέι, πλανητικός επιστήμονας και μοντελιστής κλίματος στο Ινστιτούτο Διαστημικών Μελετών Γκόνταρντ της NASA στη Νέα Υόρκη, εξέτασε δύο πιθανότητες για το πώς θα μπορούσε να βράσει ένας ωκεανός της Αφροδίτης.
Η πρώτη υπόθεση δείχνει τον ήλιο, ο οποίος, καθώς γερνά και καίγεται μέσω του καυσίμου υδρογόνου του, εκτοξεύει όλο και περισσότερο ηλιακό φως, υποβάλλοντας τους κοντινούς πλανήτες - συμπεριλαμβανομένης της Αφροδίτης, που βρίσκεται πιο κοντά στον ήλιο από εμάς - σε μια ολοένα και πιο έντονη φλόγα. Οι πλανητολόγοι υπολογίζουν ότι περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη γέννηση του ηλιακού συστήματος, ο σταδιακά λαμπερός ήλιος θα μπορούσε να εξατμίσει αποτελεσματικά οποιοδήποτε υγρό νερό στην Αφροδίτη. Οι υδρατμοί θα είχαν τότε πλημμυρίσει την ατμόσφαιρα της Αφροδίτης, προκαλώντας δυνητικά εντατική υπερθέρμανση του πλανήτη. αυτή η θέρμανση μπορεί να έχει επιδεινωθεί περαιτέρω από τα ηφαίστεια που εκπέμπουν αέρια διοξείδιο του άνθρακα. Ο συνδυασμός μπορεί να έχει ωθήσει την Αφροδίτη σε μια κατάσταση θερμοκηπίου.
Είναι μια ωραία ιστορία. Αλλά σύμφωνα με τα μοντέλα του Way, η θεωρία ότι ο ήλιος έσπασε την Αφροδίτη εξατμίζοντας τους ωκεανούς της έχει προβλήματα. Η Αφροδίτη περιστρέφεται πολύ αργά στον άξονά της και μια μέρα αντιστοιχεί σε 116 γήινες ημέρες, ή σχεδόν τέσσερις μήνες. Εάν η ημέρα του πλανήτη αρχικά περιείχε υγρούς ωκεανούς, η εξάτμιση αυτού του νερού θα είχε σχηματίσει πυκνά σύννεφα. Αυτά τα υπέροχα, επίμονα σύννεφα της ημέρας θα αντανακλούσαν το φως του ήλιου, διατηρώντας την Αφροδίτη πιο δροσερή από ό,τι θα ήταν διαφορετικά και στην πραγματικότητα αποτρέποντας ένα αφανές φαινόμενο του θερμοκηπίου και την απεριόριστη υπερθέρμανση του πλανήτη.
Ο Way πιστεύει ότι ένας πιο εύλογος ύποπτος για το θάνατο της Αφροδίτης είναι μια μορφή καταστροφικού ηφαιστειακού. Στο δικό της ιστορικό παρελθόν, η Γη βίωσε παρατεταμένες εκρήξεις λάβας σε μεμονωμένες περιοχές, γνωστές ως μεγάλες πύρινες επαρχίες (LIPs), που διήρκεσαν για εκατοντάδες χιλιάδες και ίσως εκατομμύρια χρόνια. Κάθε ένα από αυτά τα γεγονότα εισήγαγε άφθονο διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα και έκανε τον κόσμο, για ένα διάστημα, εξαιρετικά ζεστό. Ένα LIP πριν από 252 εκατομμύρια χρόνια προκάλεσε τη χειρότερη καταγεγραμμένη μαζική εξαφάνιση στην ιστορία της Γης, σχεδόν αποστειρώνοντας τον πλανήτη.
Το διαστημόπλοιο Magellan απεικόνισε την έρημη επιφάνεια της Αφροδίτης στις αρχές της δεκαετίας του 1990.
NASA
Ευτυχώς για τη ζωή, μετά από κάθε ένα από αυτά τα γεγονότα LIP, η Γη σταδιακά τράβηξε αυτή την περίσσεια διοξειδίου του άνθρακα βαθιά στα βραχώδη έντερα της και ο πλανήτης ψύχθηκε ξανά. Αυτό το πέτυχε μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται βύθιση:Όταν οι τεκτονικές πλάκες συγκρούονται, η μία πλάκα μπορεί να κατέβει κάτω από την άλλη, τραβώντας θαλασσινό νερό πλούσιο σε διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα στα βάθη της αβύσσου. Αυτός ο άνθρακας παραμένει απομονωμένος στον κάτω μανδύα για εποχικά χρονικά διαστήματα. μερικά από αυτά τελικά εκρήγνυνται πίσω στην ατμόσφαιρα μέσω ηφαιστειακής δραστηριότητας. Αυτός, με λίγα λόγια, είναι ο τρόπος με τον οποίο ρυθμίζεται ο παγκόσμιος θερμοστάτης της Γης.
Είναι πιθανό ότι όταν υπήρχε νερό στην Αφροδίτη, είχε επίσης τεκτονικές πλάκες σαν τη Γη με μεγάλες ζώνες καταβύθισης. Αλλά το σύστημα δεν ήταν αρκετά διαδεδομένο ή μεγάλης κλίμακας για να το σώσει από μια πλανητική πυρπόληση - ειδικά αν πολλά γεγονότα LIP συνέβησαν περίπου την ίδια στιγμή. Τα μοντέλα του Way δείχνουν ότι πολλά ταυτόχρονα LIP θα μπορούσαν να έχουν ρίξει τεράστιες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα της Αφροδίτης, θερμαίνοντας τον κόσμο τόσο έντονα που μεγάλο μέρος του υγρού νερού της έβρασε στον ουρανό, επιταχύνοντας περαιτέρω τη θέρμανση. Χωρίς να μιλάμε για ωκεανούς, όλο αυτό το διοξείδιο του άνθρακα δεν θα μπορούσε να επαναρροφηθεί. Επιπλέον, το νερό είναι ένας παράγοντας καταβύθισης:Μειώνει το σημείο τήξης των πετρωμάτων, επιτρέποντας στις τεκτονικές πλάκες να λυγίσουν και να σπάσουν πιο εύκολα. Και έτσι, χωρίς να υπάρχει νερό στην επιφάνεια, οι κύριες ζώνες καταβύθισης θα σταματούσαν, αποτρέποντας την ενταφιασμό του διοξειδίου του άνθρακα.
Άλλοι επιστήμονες τείνουν να συμφωνούν με την εκτίμηση του Way:Ο ήλιος μόνος δεν μπορεί να είναι υπεύθυνος για να κάνει την Αφροδίτη το απαίσιο μέρος που είναι σήμερα. «Πραγματικά πιστεύω ότι χρειάζεστε πολλά ακραία ηφαιστειακά επεισόδια… για να φτάσετε εκεί», είπε η Anna Gülcher, πλανητολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βέρνης στην Ελβετία.
Πώς να σπάσετε τον κόσμο
Ενώ μελετούσε την Αφροδίτη και την ερημική ερημιά του θερμοκηπίου της, ο Κέιν έγινε νοσηρή περίεργος:Θα μπορούσε η ίδια μοίρα να έχει και τη Γη; «Τι θα συμβεί αν κλείσουμε τον κύκλο του άνθρακα στη Γη;» είπε. «Θα μπορούσατε να δημιουργήσετε μια Αφροδίτη;»
Για να το ανακαλύψει, αυτός και η ομάδα του κατασκεύασαν μια εικονική μηχανή που καταστρέφει τον κόσμο. "Σε όλους αρέσει ένα μετα-αποκαλυπτικό σενάριο ή ένα σενάριο καταστροφής, με την προϋπόθεση ότι θα είναι 5 δισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον μας", είπε.
Ο πλανητικός αστροφυσικός Stephen Kane διερεύνησε εάν το μέλλον της Γης θα μοιάζει με το παρόν της Αφροδίτης.
Ευγενική προσφορά του Stephen Kane
Το πρώτο βήμα ήταν να προωθήσουν γρήγορα το μοντέλο της Γης για περίπου 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν ο ήλιος και οι πλανήτες θα είναι ηλικίας 8 δισεκατομμυρίων ετών. Σε εκείνο το σημείο, ο ήλιος θα λάμπει πιο φωτεινός από ό,τι σήμερα, και η ατμόσφαιρα της Γης θα λάβει το ίδιο επίπεδο καυτού αστρικού φωτός που έκανε η Αφροδίτη όταν ήταν μόλις 1 δισεκατομμυρίου ετών. Τότε, πιστεύεται ότι η Αφροδίτη θα βρισκόταν σε ένα οριακό σημείο:είτε εύκρατη και βροχερή, είτε καμένη μέχρι λίγο. Ο ήλιος ηλικίας 8 δισεκατομμυρίων ετών θα ωθήσει τη Γη σε μια παρόμοια, κλιματική κόψη.
Το μοντέλο της ομάδας προτείνει ότι σε 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, οι ωκεανοί της Γης θα μπορούσαν να αρχίσουν να εξατμίζονται και να γίνουν υδρατμοί που παγιδεύουν τη θερμότητα στην ατμόσφαιρα. Αυτό θα μπορούσε να είναι αρκετό για να σκοτώσει τις κύριες ζώνες καταβύθισης της Γης, καθώς χωρίς νερό, μπορεί να μην υπάρξει βύθιση (συν, θα υπήρχε λιγότερο νερό για να διαλυθεί το διοξείδιο του άνθρακα αρχικά). "Χάνουμε την ικανότητα να ανασύρουμε αυτό το CO2 στον μανδύα της Γης. Έτσι απλά συσσωρεύεται", δήλωσε η Michelle Hill του Πανεπιστημίου Stanford, μέλος του έργου Reuniting Twins.
Η διακοπή λειτουργίας των μεγάλων ζωνών καταβύθισης θα σήμαινε ότι οι τεκτονικές πλάκες της Γης θα σταματήσουν να συγκρούονται και να τρέμουν. Αντίθετα, θα σχημάτιζαν ένα σχεδόν ενωμένο βραχώδες κέλυφος γύρω από τον καυτό μανδύα. Για κάποιο διάστημα, ο μανδύας θα γινόταν πιο ζεστός, αφού το κέλυφος γύρω του θα παγίδευε θερμότητα που παράγεται από ραδιενεργά αποσυντιθέμενες ενώσεις μέσα του. Καθώς η θερμότητα συσσωρεύεται στο εσωτερικό, η Γη στις προσομοιώσεις του Κέιν θα βιώσει μια άνοδο στον ηφαιστειακό που θα διαρκέσει για περίπου 15 εκατομμύρια χρόνια.
Αυτή η περίοδος, γνωστή ως «καθεστώς στάσιμου βλεφάρου», προσθέτει ακόμη περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα στον ουρανό. Αλλά η εκρηκτική ακίδα είναι βραχύβια. Ο μανδύας ψύχεται και ο φλοιός παχαίνει μέχρι να γίνει σχεδόν αδιαπέραστος από οποιοδήποτε μεγάλο ηφαιστειακό εκρήξεις άνθρακα.
Έτσι, 15 εκατομμύρια χρόνια μετά το σχηματισμό του στάσιμου καπακιού της, η Γη θα έχει φτάσει σε μια νέα ισορροπία. Περιστασιακές εκρήξεις ηφαιστείου θα εξακολουθούσαν να συμβαίνουν. (Ομοίως, οι επιστήμονες έχουν βρει αδιάσειστα στοιχεία ότι η Αφροδίτη είναι ηφαιστειακά ενεργή σήμερα.) Αλλά ο Κέιν εξήγησε ότι αυτές οι σποραδικές εκρήξεις δεν αναμένεται να προσθέσουν πολύ άνθρακα στην ατμόσφαιρα.
Σε εκείνο το σημείο, οι προσομοιώσεις της ομάδας σταματούν. Πόσο μοιάζει με την Αφροδίτη το μοντέλο τους για τη μελλοντική Γη;
Η λάβα από βασάλτη έρεε από το ηφαίστειο Kīlauea στη Χαβάη το 2012. Περιστασιακά σε όλη την ιστορία της Γης, πλημμύρες βασάλτη σε μέγεθος ηπείρου έχουν προκαλέσει υπερθέρμανση του πλανήτη και μαζικές εξαφανίσεις. Ορισμένοι επιστήμονες υποπτεύονται ότι παρόμοια τεράστιες εκροές λάβας βοήθησαν να καεί η Αφροδίτη.
USGS
Δεν υπάρχει μέρος σαν την Αφροδίτη
Εάν ή όταν η μεγάλης κλίμακας βύθιση της Γης σταματήσει σε περίπου 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, γονατίζοντας την ικανότητα του πλανήτη να θάβει άνθρακα, οι προσομοιώσεις του Kane και της ομάδας του δείχνουν ότι το επίπεδο διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα θα αυξηθεί από 0,1 bars σε 0,8 bars. (Για αναφορά, η συνολική ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας σήμερα είναι 1 bar και περίπου το 0,04% αυτής, ή 0,042 bar, προέρχεται από διοξείδιο του άνθρακα.) Ακόμη και στο καλύτερο σενάριο αύξησης του διοξειδίου του άνθρακα κατά 0,1 bar, η θερμοκρασία της επιφάνειας της Γης ξεπερνά τους 100 βαθμούς Κελσίου (21 βαθμών Κελσίου). Το ίδιο συμβαίνει στις 0,8 bar, αλλά πολύ πιο γρήγορα.
Είτε έτσι είτε αλλιώς, η επιφάνεια του κόσμου γίνεται κυριολεκτικά καυτή. Η Γη θα «μετατραπεί σε μια κατάσταση θερμοκηπίου μετά την φυγή», είπε ο Κέιν. "Η θερμοκρασία της επιφάνειας θα είναι πολύ ζεστή για οποιοδήποτε νερό. Όλα θα βράσουν." Τίποτα αν καθόταν στο δέρμα του κόσμου δεν θα επιζούσε.
Ωστόσο, η Γη δεν θα πλησιάσει την κατάσταση στην οποία βρίσκεται η Αφροδίτη σήμερα. «Θα ήταν Venus lite», είπε ο Κέιν.
Η Αφροδίτη έχει μια ατμόσφαιρα 93 bar που αποτελείται από 96,5% διοξείδιο του άνθρακα. Η μηχανή καταστροφής του Κέιν και των συναδέλφων του, ανεξάρτητα από το πόσο σκληρά την πιέζουν, δεν μπορεί να φτάσει τη Γη σε αυτά τα επίπεδα. «Με εξέπληξε αυτό», είπε. Επειδή ο μανδύας είναι σφραγισμένος από ένα στάσιμο καπάκι, ο ηφαιστειασμός πέφτει, προστατεύοντας τη Γη από ένα ψήσιμο τύπου Αφροδίτης καλύτερα από ό,τι πίστευε.
Ανεξάρτητοι επιστήμονες επαίνεσαν το έργο Reuniting Twins για την αμφισβήτηση των προηγούμενων υποθέσεων και τη σημαντική προσθήκη στη συζήτηση σχετικά με την τελική κατάσταση των βραχωδών πλανητών.
«Μου αρέσει η ιδέα τους», είπε ο Way, προσθέτοντας ότι η εκδοχή της ομάδας για μια μελλοντική Γη «δεν ακούγεται παράλογη».
«Καταλήγεις με έναν κόσμο που είναι απίστευτα ζεστός», είπε ο Μπερν, ο πλανητολόγος του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον. Αλλά, είπε, η πιθανότητα ότι μπορεί να μην είναι αφροδίσια επίπεδα καυτού είναι ενδιαφέρουσα.
Η ομάδα του Κέιν αναγνώρισε ότι το μοντέλο τους δεν έχει εξετάσει μεγάλες εκρήξεις τύπου LIP και ότι αυτά τα γεγονότα θα μπορούσαν πρακτικά να προσθέσουν μια αφθονία παγιδευμένου άνθρακα στην ατμόσφαιρα σε οποιοδήποτε σημείο στο μέλλον. Ίσως η Γη να είναι άτυχη και να βιώσει πολλαπλά, ταυτόχρονα γεγονότα LIP (αν και αυτό γίνεται λιγότερο πιθανό με την πάροδο του χρόνου, είπε ο Kane, καθώς ο μανδύας κρυώνει και το ανακάτεμα του επιβραδύνεται). Αν ναι, αυτό το σενάριο θα μπορούσε να ωθήσει τη Γη να μοιάζει περισσότερο με την Αφροδίτη από ό,τι υποδηλώνει το μοντέλο της ομάδας.
Οι αβεβαιότητες αφθονούν. Αλλά αν η ομάδα του Κέιν έχει έστω και σε γενικές γραμμές σωστή, υποδηλώνει ότι η Αφροδίτη έχει μια μοναδικά ζοφερή ιστορία. Κάτι - ίσως μια πλημμύρα λάβας - έκαψε αυτόν τον πλανήτη μέχρι τα κόκαλα. Η Γη, εν τω μεταξύ, δεν έχει καταφέρει μέχρι στιγμής να επιφέρει τη δική της καταστροφή. Ας ελπίσουμε ότι αυτό θα συνεχίσει να ισχύει για πολύ στο μέλλον.
Επόμενο άρθρο
Πώς η Ανθρωπότητα ενίσχυσε την αναζήτηση της ζωής για ενέργεια
