یکی دارای جوی ضخیم و سمّی است و دیگری اصلاً جوی ندارد ، و آن یکی دقیقاً جوی را دارد که برای شکوفایی حیات لازم است؛ اما همیشه اینطور نبوده است. جو دو همسایۀ ما یعنی زهره و مریخ می‌تواند بسیار در مورد سناریوهای گذشته و آینده سیارۀ خودمان به ما بیاموزد.
از امروز ۴.۶ میلیارد سال به عرصۀ شکل‌گیری سیاره برمی‌گردیم و خواهیم دید که همۀ سیارات یک تاریخ مشترک دارند: همۀ آنها از ابر در گردش گاز و غبار متولّد شدند، درحالیکه خورشید تازه‌متولّدشده ، در مرکز آنها شعله‌ور میشود. به‌آرامی اما یقیناً به کمک جاذبه، غبارهای انباشته به تخته‌سنگ‌هایی تبدیل شدند که درنهایت ازطریق روی‌هم‌انباشتگی به سیارات مبدل شدند.
مواد سنگی می‌توانند در نزدیک‌ترین حالت به خورشید، گرما را تحمّل کنند، درحالیکه مواد گازی و یخی، تنها می‌توانند در حالت دورتری دوام بیاورند که منجر به تشکیل درونی‌ترین سیارات خاکی و دورترین غول‌های گازی و یخی میشود. آنچه باقیمانده، شهاب‌های آسمانی و ستاره‌های دنباله‌دار را می‌سازد.
مقایسۀ سیارات زمینی
چهار سیارۀ خاکیِ (زمین‌مانند) داخلی در منظومۀ خورشیدی عبارتند از: عطارد، ناهید، زمین و مریخ. این عکس‌ها را مارینر ۱۰[3]، آپولو ۱۷[4] و مأموریت وایکینگ[5] گرفته‌اند.
صاحب امتیاز: آژانس فضایی اروپا
جو سیارات سنگی به‌عنوان بخشی از یک فرآیند ساخت‌وساز، بسیار پُرانرژی شکل گرفتند که بخش اعظم آن در حین سردشدنشان به دلیل بیرون‌فرستادن گازها صورت گرفته است و در عین حال، فوران‌های آتشفشانی و به‌همراه‌آوردن میزانی کمی از آب، گازها و دیگر محتویات توسط شهاب‌های آسمانی و ستاره‌های دنباله‌دار نیز تأثیر داشته است. با گذشت زمان با کمک ترکیب پیچیده‌ای از عوامل که درنهایت منجر به وضعیت کنونی شد، زمین به تنها سیارۀ شناخته‌شده‌ای تبدیل شد که از حیات پشتیبانی می‌کند و امروزه تنها سیاره‌ای است که آب مایع بر سطح آن وجود دارد.
ما از مأموریت‌هایی مانند ونوس اکسپرس[6] آژانس فضایی اروپا که بین سال‌های ۲۰۰۶ و ۲۰۱۴ زهره را از مدار زمین مشاهده می‌کرد و مارس اکسپرس[7] که از سال ۲۰۰۳ سیاره سرخ را بررسی می‌کند، می‌دانیم که زمانی آب مایع در سیارۀ خواهرمان نیز جاری بوده است؛ درحالیکه آب زهره مدت زمان زیادی است که بخار شده است. آب در مریخ یا در زیرزمین مدفون است یا در قلّه‌های یخی گیر افتاده است. آنچه که از نزدیک در پیوند با داستان آب است و درنهایت در پیوند با پرسش بزرگ وجود حیات فراتر از زمین است، وضعیت جو سیاره است؛ و آنچه در ارتباط با این موضوع قرار دارد، برهم‌کنش و تبادل مواد بین جو، اقیانوس‌ها و درون سنگی سیاره است.
بازچرخشی سیاره‌ای
بازگردیم به سیارات تازه‌تشکیل‌شده‌مان؛ از یک گلولۀ سنگی مذاب که غشایی ، هستۀ متراکم آن را دربرگرفته به حالت سردشدن رسیدند. زمین، زهره و مریخ همگی در این روزهای اولیه گازپراکنی را تجربه کردند که منجر به تشکیل اولین جوهای جوان، داغ و متراکم شده است. وقتی این جوها هم سرد شدند، اولین اقیانوس‌ها با بارش شکل گرفتند.
اما در مقطعی خصوصیات فعالیت‌های زمین‌شناسانه این سه سیاره از هم متفاوت شد. پوشش مستحکم زمین درهم‌شکست و به صفحاتی تقسیم شد و در برخی از مکان‌ها در نواحی فرورانشی، به زیر صفحۀ دیگری رفت و در مکان‌هایی دیگر این صفحات با هم برخورد کردند تا رشته‌کوه‌هایی عظیم را تشکیل دهند، یا از هم دور شدند تا گسل‌های عظیم یا پوسته‌های جدید را شکل دهند. امروزه صفحات زمین‌ساختی همچنان درحال حرکت هستند و منجر به فوران‌های آتشفشانی یا زمین‌لرزه‌هایی در مرزهایشان می‌شوند.
زهره که تنها کمی از زمین کوچکتر است، ممکن است امروزه نیز دارای فعالیت‌های آتشفشانی باشد و به‌نظر می‌رسد گدازه‌های سطح آن از نیم میلیارد سال پیش پوشانده شده باشند. امروزه زهره سیستم صفحات زمین‌ساختیِ قابل‌تشخیصی ندارد؛ به‌احتمال زیاد آتشفشان‌های آن قدرت خود را از ستون‌های حرارتی برآمده از پوستۀ خود می‌گیرد که در فرآیندی مشابه لامپ گدازه اما در مقیاسی عظیم، شکل گرفته‌اند.
مریخ که بسیار کوچکتر است، زودتر از زمین و زهره سرد شد و وقتی آتشفشان‌هایش منقرض شدند، یکی از راه‌های اصلی جایگزین‌کردن جوش را از دست داد؛ اما همچنان دارای بزرگترین آتشفشان در کل منظومۀ شمسی به‌نام کوه الیمپوس با ارتفاع ۲۵ کیلومتر است که به‌احتمال زیاد در نتیجۀ ساخت عمودی مداوم پوسته، از ستون‌های برآمده از لایه‌های زیرین است. گرچه شواهدی برای فعالیت‌های زمین‌ساختی در ۱۰ میلیون سال گذشته وجود دارد و حتی در زمان حاضر نیز مریخ‌لرزه‌هایی را گه‌گاه تجربه کرده است، باور بر اینست که سیستم تکتونیکی مانند زمین ندارد.
تنها صفحات زمین‌ساختی نیستند که زمین را خاص کرده‌اند، بلکه ترکیب بی‌همتای آنها با اقیانوس‌ها نیز هست. امروزه اقیانوس‌های ما که تقریباً دوسوم از سطح زمین را می‌پوشانند، بخش اعظم گرمای سیارۀ ما را جذب و ذخیره می‌کنند، و آن را به‌وسیلۀ جریان‌ها به سراسر سیاره منتقل می‌کنند. وقتی یک صفحۀ زمین‌ساختی به جبه کشیده میشود، گرم میشود و آب و گازهای محبوس در صخره‌ها را آزاد می‌کند، و آنها نیز از طریق دریچه‌های آب‌گرمایی در کف اقیانوس، نشت می‌کنند.
در چنین محیط‌هایی در کف اقیانوس‌های زمین، گونه‌های حیات به شدّت جا‌ن‌سختی یافت شده‌اند، که سرنخ‌هایی در مورد چگونگی آغاز حیات اولیه به دست می‌دهند و نشانگرهایی را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهند که درجاهای دیگر منظومۀ شمسی، کجاها را بررسی کنند. شواهدی که از مأموریت‌های فضایی مانند کاسینی از مثلاً اروپا، قمر مشتری، یا قمر یخی زحل به‌نام انسلادوس[8] در دست است، که در زیر پوستۀ یخی‌شان، اقیانوس‌های آب مایع را پنهان کرده‌اند، نشان می‌دهد که فعالیت‌های آب‌گرمایی ممکن است وجود داشته باشند.
علاوه‌براین فعالیت‌های زمین‌ساختی صفحات به تنظیم جو ما، و در مقیاس‌های زمانی بلندمدت میزان دیاکسیدکربن را در سیارۀ ما تنظیم می‌کند. وقتی دیاکسیدکربن جو با آب ترکیب میشود، اسیدکربنیک شکل می‌گیرد. که آن نیز منجر به حل‌شدن صخره‌ها میشود. باران با خود اسیدکربنیک و کلسیم را به اقیانوس‌ها می‌آورد (دیاکسیدکربن در اقیانوس‌ها هم مستقیماً حل میشود)، و سپس طی یک حرکت چرخشی به کف اقیانوس برمی‌گردد. جو تقریباً در نیمی از تاریخ زمین حاوی اکسیژن بسیار کمی بوده است. سیانوباکتری اقیانوسی اولین باکتری بوده است که از انرژی خورشید برای تبدیل دیاکسیدکربن به اکسیژن استفاده کرده است، یک نقطهٔ عطف در جو که بعدها شکوفایی حیات پیچیده را ممکن ساخت. بدون بازچرخش سیاره‌ای و تعدیلاتی که میان جبه، اقیانوس‌ها، و جو صورت می‌گیرد، بیشتر زمین به زهره شبیه می‌بود.
اثر گلخانه‌ای شدید
به زهره گاهی از اوقات دوقلوی شرور زمین گفته میشود چراکه تقریباً با زمین هم‌اندازه است اما یک جو ضخیم مهلک و سطحی سوزان با دمای ۴۷۰ درجۀ سانتی‌گراد، آن را گرفتار کرده است. فشار بالا و دمای آن به‌اندازه‌ای داغ است که سرب را ذوب کند و فضاپیمایی که جرأت فرود بر آن را دارد، نابود کند. زهره به دلیل جو متراکمش از سیارۀ مشتری نیز که به خورشید نزدیک‌تر است، داغ‌تر است. انحراف چشمگیر آن از یک محیط زمین‌گونه اغلب به‌عنوان مثالی برای آنچه با اثر گلخانه‌ای لجام‌گسیخته اتفاق می‌افتد، به کار می‌رود.
دوقلوی شرور زمین
آنچه در ظاهر دیده میشود می‌تواند فریبنده باشد. در این جو ضخیم و مملو از ابر می‌تواند باران اسیدسولفوریک ببارد و در زیر آن، نه اقیانوس‌ها، بلکه سطحی گداخته و بایر مملو از گدازه باشد. به زهره خوش‌آمدید.
صاحب‌امتیاز: آژانس فضایی اروپا/ موسسۀ مکس پلانک برای تحقیقات منظومۀ خورشیدی/موسسه تحقیقات سیاره‌ای/ انجمن توسعۀ بین‌الملل
منبع اصلی گرما در منظومۀ خورشیدی، انرژی خورشید است که سطح سیارات را گرم می‌کند و سپس سیاره این انرژی را دوباره به فضا برمی‌گرداند. جو مقداری از این انرژی درحال‌خروج را گیر می‌اندازد و گرما را حفظ می‌کند، که به آن اثر گلخانه‌ای می‌گوییم. این یک پدیدۀ طبیعی است که به تنظیم دمای سیاره کمک می‌کند. اگر به خاطر گازهای گلخانه‌ای مانند بخار آب، دیاکسیدکربن، متان، و ازون نبود، دمای سطح زمین تقریباً ۳۰ درجه سردتر از میانگین ۱۵ درجۀ کنونی‌اش می‌بود.
انسان‌ها در چند قرن اخیر این تعادل طبیعی زمین را به هم زده‌اند، و از زمان شروع فعالیت‌های صنعتی، با اضافه‌کردن دیاکسیدکربن اضافی در کنار اکسید نیتروژن، سولفات، و گازهای دیگر که میزان بسیار کمتری دارند و ذرات غبار و دود به هوا، اثر گلخانه‌ای را تقویت کرده‌اند. اثرات بلندمدت آن بر سیارۀ ما عبارتند از گرمایش جهانی، باران اسیدی، و تقلیل لایۀ ازون. عواقب یک اقلیم گرم‌شونده گسترده هستند و احتمالاً بر منابع آب شیرین، تولید جهانی غذا، و سطح دریاها اثر خواهد گذاشت و منجر به افزایش رویدادهای آب‌وهوایی شدید میشود.
فعالیت انسانی در زهره وجود ندارد، اما مطالعۀ جو آن مانند یک آزمایشگاه طبیعی برای درک بهتر اثر گلخانه‌ای لجام‌گسیخته عمل می‌کند. زهره در مقطعی از تاریخش، شروع به محبوس‌کردن بیش‌ازاندازۀ گرما کرد. عقیده بر اینست که زمانی میزبان اقیانوس‌هایی مانند اقیانوس‌های زمین بوده است، اما گرمای اضافه آب را به بخار تبدیل کرده است، و به همین ترتیب آب اضافی بخارشده در جو، گرمای بیشتر و بیشتر را محبوس کرده است تا اینکه کل اقیانوس‌ها کاملاً بخار شدند. مأموریت ونوس اکسپرس حتی نشان داد که بخار آب همچنان از جو زهره فرار می‌کند
ونوس اکسپرس همچنین لایه‌ای مرموز از مقادیر زیادی از دی‌اکسید سولفور در جو این سیاره یافت. انتظار اینست که دی‌اکسید سولفور از انتشار گازهای آتشفشانی باشد. ونوس اکسپرس در طول دورۀ این مأموریت تغییرات زیاد در دی‌اکسید سولفور جو این سیاره را ثبت کرد که منجر به ایجاد ابرها و قطرات اسیدسولفوریک در ارتفاعات حدود ۵۰ تا ۷۰ کیلومتر شد، ضمن اینکه هرگونه دی‌اکسید سولفور باقیمانده قاعدتاً باید توسط تابش شدید خورشید نابود شود. ازاین‌رو غافلگیرکننده بود که ونوس اکسپرس لایه‌ای از این گاز را در حدود ۱۰۰ کیلومتری یافت. در نهایت نتیجه گیری شد که قطرات اسیدسولفوریک وقتی بخار می‌شوند، سولفوریک اسید بخار مانندی را آزاد می‌کنند که توسط نور خورشید تجزیه میشود و گاز دی‌اکسید سولفور را آزاد می‌کند.
این مشاهدات، بحث پیرامون آنچه در صورت ورود مقادیر زیادی دی‌اکسید سولفور به جو زمین اتفاق خواهد افتاد را داغ‌تر کرد، و پیشنهادی در رابطه با تخفیف اثرات اقلیم درحال‌تغییر زمین ارائه شد. این ایده با فوران آتشفشانی کوه پیناتوبو[9] فیلیپین در سال ۱۹۹۱ به اثبات رسید؛ وقتی که دی‌اکسید سولفور حاصل از فوران، قطرات کوچکی از اسیدسولفوریک غلیظ مانند آنچه در ابرهای ونوس یافت شد، در ارتفاع ۲۰ کیلومتری به وجود آورد. این منجر به ایجاد یک لایه غبار شد که برای چندین سال زمین را در حدود ۰.۵ سانتی‌گراد خنک‌تر کرد. ازآنجاکه این غبار گرما را منعکس می‌کند، پیشنهاد شده است که یکی از راه‌های کاهش دمای جهانی، واردکردن مقادیر زیادی دی‌اکسید سولفور به‌طور مصنوعی به جو زمین است. اما بااین‌وجود اثرات طبیعی کوه پیناتوبو، تنها یک اثر مقطعی خنک‌کننده داشت. مطالعۀ لایۀ عظیم ابر و قطرات سولفوریک اسید در زهره، راهی طبیعی برای مطالعۀ اثرات بلندمدت‌تر فراهم کرد؛ غبار در ارتفاعات بالا که در ابتدا محافظ است، در نهایت دوباره به اسیدسولفوریک گازمانند تبدیل میشود، که شفاف است و کل اشعۀ خورشید از آن می‌گذرد. و این به‌جز اثرات جانبی باران اسیدی است، که در زمین می‌تواند اثرات مضری بر خاک، حیات گیاهان، و آب داشته باشد.
انجماد جهانی
همسایۀ دیگر ما یعنی مریخ در وضعیت غیرعادی دیگری قرار دارد: گرچه جو آن نیز غالباً دیاکسیدکربن است، امروزه به‌سختی جوی دارد، و کل حجم جو آن به کمتر از ۱٪ جو زمین می‌رسد.
جو کنونی مریخ آنقدر نازک است که گرچه دیاکسیدکربن در ابرهایی متراکم میشود، اما نمی‌تواند به‌اندازۀ کافی انرژی خورشید را حفظ کند تا آب سطحی را در امان نگه دارد، و این آب بلافاصله به بخار تبدیل میشود. اما به دلیل فشار پایین و دمای نسبتاً خوشایند ۵۵- درجۀ سانتی‌گراد (دما از ۱۳۳- درجۀ سانتی‌گراد در قطب زمستانی تا ۲۷+ درجۀ سانتی‌گراد در تابستان متغیر است)، فضاپیما بر روی سطح آن ذوب نمی‌شود و به ما دسترسی بیشتری برای پی‌بردن به رازهای آن می‌دهد. علاوه‌براین به خاطر فقدان صفحات زمین‌ساختی بازچرخشی در این سیاره، صخره‌های ۴میلیارد ساله به‌راحتی در دسترس فضاپیماهای ما قرار دارند. علاوه‌براین مدارگردهای ما ازجمله مارس اکسپرس که بیش از ۱۵ سال است این سیاره را پیمایش می‌کند، به‌طور مداوم شواهدی برای آب روان، اقیانوس‌ها و دریاچه‌ها در گذشته مریخ پیدا می‌کنند، و این امید وسوسه‌انگیز را به ما می‌دهند که شاید مریخ زمانی از حیات پشتیبانی می‌کرده است.
سیارۀ سرخ نیز به دلیل ورود مواد فرّاری از شهاب‌ها و ستاره‌های دنباله‌دار، و گازپراکنی آتشفشانی در حین فرآیند سردشدن درون صخره‌ای سیاره، در ابتدا جو ضخیم‌تری داشته است. به احتمال زیاد مریخ به دلیل جرم کمتر و نیروی جاذبۀ پایین‌‌ترش نتوانسته جو خود را نگه دارد. علاوه‌براین دمای بالاتر اولیه‌اش به مولکول‌های گاز موجود در جو انرژی بیشتری داده است، و آنها توانسته‌اند راحت‌تر فرار کنند. مریخ میدان مغناطیسی خود را در اوایل تاریخش از دست داده، و باقیماندۀ جو پس‌ازآن در معرض باد خورشیدی قرار داشته است (باد خورشیدی جریان مداومی از ذرات باردار خورشید است)، و بدین ترتیب دقیقاً مانند زهره، حتی امروزه نیز همچنان جو خود را از دست می‌دهد.
با جوی که در حال کاهش بوده، آب سطحی به زیرزمین می‌رود، و تنها زمانی که زمین گرم میشود و آب و یخ واقع در زیر سطح زمین را آزاد می‌کند، به‌صورت سیل برق‌آسا جاری میشود. این آب همچنین در کوه‌های یخی قطب هم محبوس شده است. مارس اکسپرس اخیراً استخری از آب مایع مدفون در دو کیلومتری سطح را تشخیص داده است. آیا شواهد حیات می‌تواند در زیرزمین باشد؟ این پرسش اصلی کاوشگر اکسومارس[10] اروپاست، که قرار است در سال ۲۰۲۰ پرتاب شود و در ۲۰۲۱ فرود بیاید و در جستجوی نشانه‌های حیات، عمق دو متری سطح زمین را حفر کند و نمونه‌ها را جمع‌آ‌وری و تحلیل کند.
شبکۀ خشک‌شدۀ درّه‌رود مریخ
تصویر گرفته‌شده توسط مارس اکسپرس آژانس فضایی اروپا نشانگر شبکه‌ای از دره‌های خشک‌شده در مریخ است، و شامل داده‌های جمع‌آوری‌شده در ۱۹ نوامبر ۲۰۱۸ و در حین گردش ۱۸۸۳۱ مارس اکسپرس است.
صاحب‌امتیاز: آژانس فضایی اروپا/ مرکز هوافضای آلمان/دانشگاه آزاد برلین/ CC BY-SA 3.0 IGO
اعتقاد براینست که در حال حاضر مریخ در حال خروج از یک عصر یخبندان است. مریخ نیز مانند زمین به تغییر در عواملی مانند نوسان محور چرخشی خود به دور خورشید حساس است. معتقدند با نوسان محور چرخشی سیاره و با وجود تغییرات گردشی فاصلۀ آن از خورشید، پایداری آب سطحی مریخ با گذشت هزاران تا میلیون‌ها سال تغییر کرده است. اکنون مدارگرد مختص گازهای جوی اکسومارس در حال بررسی سیاره سرخ از مدار است. اخیراً مواد آبپوشیده در مناطق حارّه‌ای یافته است که می‌تواند نشانگر مکان‌های سابق قطب سیاره در گذشته باشد.
مأموریت اصلی مدارگرد گازهای جوی، تهیۀ یک فهرست دقیق از جو سیارۀ مریخ، به‌ویژه گازهای کم‌حجمی است که کمتر از ۱٪ از کل حجم جو سیارۀ مریخ را تشکیل داده‌اند. به گاز متان توجه ویژه میشود، گازی که بخش اعظم آن در زمین با فعالیت‌های زیستی، و همچنین با فرآیندهای طبیعی و زمین‌شناختی تولید میشود. قبلاً مارس اکسپرس شواهدی از متان را گزارش داده بود، و سپس گزارش‌هایی از کاوشگر کنجکاوی ناسا[11] بر روی سطح مریخ وجود داشت، اما ابزارهای بسیار حساس مدارگرد گازهای جوی تاکنون غیاب کلّی این گاز را گزارش داده‌اند، و معمّا را پیچیده‌تر کرده‌اند. دانشمندان به منظور تأیید نتایج متفاوت، نه تنها در حال بررسی چگونگی تشکیل متان هستند، بلکه بررسی می‌کنند که چگونه متان می‌تواند نزدیک سطح نابود شود. بااین‌حال همۀ اَشکال حیات متان تولید نمی‌کنند، و امیدواریم که کاوشگر با متۀ حفاری‌اش، اطلاعات بیشتری در اختیار ما بگذارد. قطعاً کاوش مداوم سیارۀ سرخ به درک چگونگی و چرایی تغییر پتانسیل سکونت‌پذیری مریخ با گذشت زمان، کمک خواهد کرد.
کاوش دورترها
علی رغم آنکه همسایه‌های زمین با مواد مشابهی شروع کردند، از فجایع اقلیمی نابودکننده رنج بردند و نتوانستند آب برای مدت طولانی نگه دارند. زهره بسیار گرم شد و مریخ بسیار سرد. تنها زمین به سیارۀصددرصدی با شرایط کاملاً مناسب تبدیل شد. آیا ما در عصر یخبندان قبلی به شرایطی مشابه مریخ نزدیک شدیم؟ ما چقدر به اثر گلخانه‌ای لجام‌گسیخته مانند آنچه زهره را گرفتار کرده، نزدیک هستیم؟ درک سیر تحول این سیارات و نقش جو آنها، برای درک تغییرات اقلیمی در سیارۀ خودمان بسیار حیاتی است، چرا که درنهایت قوانین مشابه فیزیک بر آنها مسلط است. داده‌های رسیده از فضاپیمای مدارگرد ما، یادآوری در جهان طبیعت است که نباید پایداری اقلیمی را بدیهی پنداشت.
درهرصورت در یک دورۀ زمانی بلندمدت، یعنی میلیاردها سال بعد، با خورشید در حال زوال زمین گلخانه‌ای برآیندی گریزناپذیر خواهد بود. ستارۀ ما که زمانی حیات‌بخش بوده است، نهایتاً متورم و درخشان میشود، و آنقدر گرما وارد سیستم ظریف زمین می‌کند که اقیانوس‌ها بخار می‌شوند، و زمین وارد مسیری مشابه دوقلوی شرورش میشود.
[1] Paolo Nespoli
[2] Regulus
[3] Mariner 10
[4] Apollo 17
[5] Viking missions
[6] Venus Express
[7] Mars Express
[8] Enceladus
[9] Mount Pinatubo
[10] ExoMars
[11] NASA’s Curiosity rover