Uno tiene una atmósfera espesa y venenosa, uno apenas tiene atmósfera y uno es perfecto para que florezca la vida, 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 arremolinada 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 resistir el calor más cercano al Sol, mientras que el material helado y gaseoso solo podría sobrevivir más lejos, dando lugar a los planetas terrestres más internos y los gigantes de gas y hielo más externos, respectivamente. Los restos hicieron asteroides y cometas.
Los cuatro planetas terrestres (que significan ‘similares a la Tierra’) de nuestro Sistema Solar interior: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Estas imágenes fueron tomadas por las misiones Mariner 10, Apollo 17 y Viking. Crédito: ESA
Las atmósferas de los planetas rocosos se formaron como parte de un proceso de construcción muy energético, principalmente por desgasificación a medida que se enfriaban, con algunas pequeñas contribuciones de erupciones volcánicas y un suministro menor de agua, gases y otros ingredientes por parte de cometas y asteroides. Con el tiempo, las atmósferas sufrieron una fuerte evolución gracias a una intrincada combinación de factores que finalmente condujeron al estado actual, siendo la Tierra el único planeta conocido que alberga vida y el único con agua líquida en su superficie en la actualidad.
Sabemos por misiones espaciales como Venus Express de la ESA, que observó a Venus desde la órbita entre 2006 y 2014, y Mars Express, que investiga el Planeta Rojo desde 2003, que alguna vez fluyó agua líquida en nuestros planetas hermanos también. Mientras que el agua de Venus se ha evaporado hace mucho tiempo, en Marte está enterrada bajo tierra o encerrada en casquetes de hielo . Íntimamente relacionado con la historia del agua, y en última instancia con la gran pregunta de si la vida pudo 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, los océanos y el interior rocoso del planeta.
Reciclaje planetario
De vuelta en nuestros planetas recién formados, a partir de 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, lo que formó las primeras atmósferas jóvenes, calientes y densas. A medida que estas atmósferas también se enfriaban, 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 agrietó en placas, en algunos lugares sumergiéndose debajo de otra placa en zonas de subducción, y en otros lugares chocando para crear vastas cadenas montañosas o separándose para crear grietas gigantes o nueva corteza. Las placas tectónicas de la Tierra todavía se están moviendo hoy en día, dando lugar a erupciones volcánicas o terremotos en sus límites.
Marte de horizonte a horizonte. Crédito: ESA/DLR/FU Berlín, CC BY-SA 3.0 IGO
Venus, que es solo un poco más pequeño que la Tierra, aún puede tener actividad volcánica en la actualidad , y su superficie parece haber sido resurgida con lava hace tan solo quinientos millones de años. Hoy no tiene un sistema de tectónica de placas perceptible; sus volcanes probablemente fueron alimentados por penachos térmicos que se elevaban a través del manto, creados en un proceso que puede compararse con una ‘lámpara de lava’ pero en una escala gigantesca.
Marte, al ser 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 25 kilómetros de altura (16 millas de altura), probablemente también como 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 martemotos ocasionales en la actualidad, tampoco se cree que el planeta tenga un sistema tectónico similar al de 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 en día, nuestros océanos, que cubren alrededor de dos tercios de la superficie de la Tierra, absorben y almacenan gran parte del calor de nuestro planeta y lo transportan a lo largo de las corrientes alrededor del globo. A medida que una placa tectónica es arrastrada 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 ambientes en el fondo de los océanos de la Tierra, proporcionando pistas sobre cómo pudo haber comenzado la vida temprana y dando a los científicos indicadores sobre dónde buscar en otros lugares del Sistema Solar: la luna de Júpiter, Europa , o Saturno . Por ejemplo, la luna helada Encelado, que oculta océanos de agua líquida debajo de sus cortezas heladas, con evidencia de misiones espaciales como Cassini que sugieren que puede haber actividad hidrotermal.
Además, 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 agua, el ácido carbónicose forma, 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 cianobacterias oceánicas fueron las primeras en usar la energía del Sol para convertir el dióxido de carbono en oxígeno, un punto de inflexión en el suministro de la atmósfera que mucho más adelante permitió que floreciera la vida compleja. Sin el reciclaje planetario y la regulación entre el manto, los océanos y la atmósfera, la Tierra podría 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 espesa y nociva y una superficie sofocante de 470 ºC (880 ºF). Su alta presión y temperatura es lo suficientemente caliente como para derretir el plomo y destruir la nave espacial que se atreva a aterrizar en él. 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 se usa a menudo como un ejemplo de lo que sucede en un efecto invernadero descontrolado.
Las apariencias engañan. Esta atmósfera espesa y rica en nubes llueve ácido sulfúrico y debajo no hay océanos sino una superficie seca y estéril cubierta de lava. Bienvenido a Venus. Crédito: 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 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, el dióxido de carbono, el metano y el ozono, la temperatura de la superficie de la Tierra sería unos 30 grados más baja que su promedio actual de +15ºC (59ºF).
Durante los últimos siglos, los seres 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 clima más cálido son de gran alcance y 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 descontrolado. 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 agregado convirtió el agua en vapor y, a su vez, el vapor de agua adicional en la atmósfera atrapó más y más calor hasta que los 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 en la actualidad.
Venus Express también descubrió una capa misteriosa 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 duración de 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 gotas a altitudes de aproximadamente 50 a 70 km (31 a 43 millas); cualquier dióxido de azufre restante debe ser destruido por la intensa radiación solar. Así que fue una sorpresa para Venus Express descubrir una capa de gas a unos 100 km (62 millas). Se determinó que la evaporación de gotas de ácido sulfúrico libera ácido sulfúrico gaseoso que luego se descompone con la luz solar, liberando el gas de dióxido de azufre.
La observación se suma a la discusión sobre lo que podría suceder si se inyectan grandes cantidades de dióxido de azufre en la atmósfera de la Tierra, una propuesta 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 las que se encuentran en las nubes de Venus, a unos 20 km (12 millas) de altitud. Esto generó una capa de neblina y enfrió nuestro planeta a nivel mundial en aproximadamente 0,5 ºC (0,9 ºF) 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. Estudiar la enorme capa de gotas de nube 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 permite el paso de 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.
Congelación global
Nuestro otro vecino, Marte, se encuentra en otro extremo: aunque su atmósfera también es predominantemente dióxido de carbono, hoy en día apenas tiene nada, con un volumen atmosférico total inferior al 1% del de la Tierra.
Impresión artística (no a escala) que idealiza cómo el viento solar da forma a las magnetosferas de Venus (arriba), la Tierra (centro) y Marte (abajo). Crédito: ESA
La atmósfera existente en 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 templadas de -55 ºC/-67 ºF (que van desde -133 ºC/-207 ºF en el polo de invierno hasta +27 ºC/81 ºF durante el verano), las naves espaciales no se derriten en su superficie, lo que nos permite un mayor acceso a descubrir sus secretos. Además, gracias a la falta de tectónica de placas de reciclaje en el planeta, las rocas de cuatro mil millones de años son directamente accesibles para nuestros módulos de aterrizaje y vehículos exploradores que exploran su superficie. Mientras tanto, nuestros orbitadores, incluido Mars Express, que ha estado examinando el planeta durante más de 15 años, encuentran constantemente evidencia de sus aguas, océanos y lagos que alguna vez fluyeron.
El Planeta Rojo también habría comenzado con una atmósfera más espesa gracias a la entrega de volátiles de asteroides y cometas, y la liberación de gases volcánicos del planeta a medida que su interior rocoso se enfriaba. Simplemente no pudo aferrarse a 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, habiendo perdido también su campo magnético global al principio de su historia, la atmósfera restante quedó posteriormente expuesta al viento solar, un flujo continuo de partículas cargadas del Sol, que, al igual que en Venus, continúa despojando 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 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 debajo de la superficie para recuperar y analizar muestras en busca de biomarcadores.
Esta imagen de Mars Express de la ESA muestra una red de valles secos en Marte y comprende datos recopilados el 19 de noviembre de 2018 durante la órbita 18831 de Mars Express. Crédito: ESA/DLR/FU Berlín, CC BY-SA 3.0 IGO
Se cree que Marte está saliendo actualmente de una edad 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 durante miles o millones de años a medida que la inclinación axial del planeta y su distancia al Sol experimentan cambios cíclicos. El ExoMars Trace Gas Orbiter, que actualmente investiga el Planeta Rojo desde la 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 Trace Gas Orbiter es realizar un inventario preciso de la atmósfera del planeta, en particular de los gases traza que representan menos del 1% del volumen total de la atmósfera del planeta. De particular interés es el metano, que en la Tierra se produce en gran medida por actividad biológica y también por procesos naturales y geológicos. Mars Express informó previamente indicios de metano, y más tarde 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, lo que profundiza el misterio . Para corroborar los diferentes resultados, los científicos no solo investigan cómo se puede crear el metano, sino también cómo se puede destruir.cerca de la superficie. Sin embargo, no todas las formas de vida generan metano, y es de esperar que el rover con su taladro subterráneo pueda decirnos 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 catástrofes climáticas devastadoras y no pudieron conservar 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. ¿Estuvimos cerca de volvernos como 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 brindan recordatorios naturales de que la estabilidad climática no es algo que se deba dar por sentado.
En cualquier 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 Sol envejecido. Nuestra estrella que una vez dio vida eventualmente se hinchará y brillará, inyectando suficiente calor en el delicado sistema de la Tierra para hervir nuestros océanos, enviándolo por el mismo camino que su gemelo malvado.