Si ha una densa atmosfera velenosa, non c'è quasi nessuna atmosfera, e uno è giusto che la vita fiorisca, ma non è sempre stato così. Le atmosfere dei nostri due vicini Venere e Marte possono insegnarci molto sugli scenari passati e futuri per il nostro pianeta.

Riavvolgi 4,6 miliardi di anni dai giorni nostri al cantiere di costruzione planetaria, e vediamo che tutti i pianeti condividono una storia comune:sono nati tutti dalla stessa nuvola vorticosa di gas e polvere, con il Sole appena nato acceso al centro. Lentamente ma sicuramente, con l'aiuto della gravità, polvere accumulata in massi, alla fine si trasformano in entità di dimensioni planetarie.

Il materiale roccioso potrebbe resistere al calore più vicino al sole, mentre gassoso, il materiale ghiacciato poteva sopravvivere solo più lontano, dando origine ai pianeti terrestri più interni e ai giganti gassosi e ghiacciati più esterni, rispettivamente. Gli avanzi hanno creato asteroidi e comete.

Le atmosfere dei pianeti rocciosi si sono formate come parte del processo di costruzione molto energetico, principalmente degasando mentre si raffreddavano, con qualche piccolo contributo di eruzioni vulcaniche e minori apporti d'acqua, gas e altri ingredienti da comete e asteroidi. Nel tempo le atmosfere hanno subito una forte evoluzione grazie ad un'intricata combinazione di fattori che alla fine hanno portato allo stato attuale, con la Terra che è l'unico pianeta conosciuto per supportare la vita, e l'unico con acqua liquida sulla sua superficie oggi.

Sappiamo da missioni spaziali come Venus Express dell'ESA, che ha osservato Venere dall'orbita tra il 2006 e il 2014, e Mars Express, indagando sul Pianeta Rosso dal 2003, quell'acqua liquida una volta scorreva sui nostri pianeti fratelli, pure. Mentre l'acqua su Venere è da tempo evaporata, su Marte è sepolto sottoterra o rinchiuso in calotte glaciali. Intimamente legato alla storia dell'acqua – e in ultima analisi alla grande domanda se la vita potrebbe essere sorta oltre la Terra – è lo stato dell'atmosfera di un pianeta. E connesso a questo, l'interazione e lo scambio di materiale tra l'atmosfera, oceani e l'interno roccioso del pianeta.

Riciclo planetario

Torna ai nostri pianeti appena formati, da una palla di roccia fusa con un mantello che circonda un nucleo denso, hanno dichiarato di raffreddarsi. Terra, Venere e Marte hanno tutti sperimentato attività di degassamento in questi primi giorni, che formò il primo giovane, atmosfere calde e dense. Poiché anche queste atmosfere si sono raffreddate, i primi oceani piovvero dai cieli.

Ad un certo punto, anche se, le caratteristiche dell'attività geologica dei tre pianeti divergevano. Il solido coperchio della Terra si ruppe in lastre, in alcuni punti si tuffa sotto un'altra placca in zone di subduzione, e in altri luoghi si scontrano per creare vaste catene montuose o si separano per creare spaccature giganti o nuova crosta. Le placche tettoniche della Terra si muovono ancora oggi, dando luogo a eruzioni vulcaniche o terremoti ai loro confini.

Venere, che è solo leggermente più piccolo della Terra, potrebbe avere ancora oggi attività vulcanica, e la sua superficie sembra essere stata riemersa con lave non più di mezzo miliardo di anni fa. Oggi non ha un sistema tettonico a placche distinguibile; i suoi vulcani erano probabilmente alimentati da pennacchi termici che salivano attraverso il mantello, creati in un processo che può essere paragonato a una "lampada di lava", ma su scala gigantesca.

Marte, essendo molto più piccolo, raffreddato più rapidamente della Terra e di Venere, e quando i suoi vulcani si sono estinti ha perso un mezzo chiave per ricostituire la sua atmosfera. Ma vanta ancora il vulcano più grande dell'intero Sistema Solare, il Monte Olimpo alto 25 chilometri, probabilmente anche il risultato della continua costruzione verticale della crosta da pennacchi che salgono dal basso. Anche se ci sono prove di attività tettonica negli ultimi 10 milioni di anni, e anche l'occasionale terremoto nei tempi attuali, non si ritiene che il pianeta abbia nemmeno un sistema tettonico simile alla Terra.

Non è solo la tettonica a placche globale a rendere speciale la Terra, ma la combinazione unica con gli oceani. Oggi i nostri oceani, che coprono circa i due terzi della superficie terrestre, assorbire e immagazzinare gran parte del calore del nostro pianeta, trasportandolo lungo le correnti di tutto il mondo. Come una placca tettonica viene trascinata nel mantello, si riscalda e rilascia acqua e gas intrappolati nelle rocce, che a loro volta percolano attraverso le bocche idrotermali sul fondo dell'oceano.

Forme di vita estremamente resistenti sono state trovate in tali ambienti sul fondo degli oceani della Terra, fornendo indizi su come potrebbe essere iniziata la vita precoce, e dando agli scienziati indicazioni su dove guardare altrove nel Sistema Solare:la luna di Giove Europa, o Encelado, la luna ghiacciata di Saturno, per esempio, che nascondono oceani di acqua liquida sotto le loro croste ghiacciate, con prove provenienti da missioni spaziali come Cassini che suggeriscono che potrebbe essere presente attività idrotermale.

Inoltre, la tettonica a zolle aiuta a modulare la nostra atmosfera, regolando la quantità di anidride carbonica sul nostro pianeta in tempi lunghi. Quando l'anidride carbonica atmosferica si combina con l'acqua, si forma acido carbonico, che a sua volta dissolve le rocce. La pioggia porta l'acido carbonico e il calcio negli oceani - anche l'anidride carbonica viene dissolta direttamente negli oceani - dove viene riciclata nel fondo dell'oceano. Per quasi metà della storia della Terra l'atmosfera ha contenuto pochissimo ossigeno. I cinobatteri oceanici sono stati i primi a utilizzare l'energia del sole per convertire l'anidride carbonica in ossigeno, un punto di svolta nel fornire l'atmosfera che molto più in là ha permesso alla vita complessa di fiorire. Senza il riciclo planetario e la regolazione tra il mantello, oceani e atmosfera, La Terra potrebbe essere diventata più simile a Venere.

Effetto serra estremo

Venere è a volte indicata come il gemello malvagio della Terra perché ha quasi le stesse dimensioni ma è afflitta da una spessa atmosfera nociva e da una superficie soffocante di 470ºC. La sua alta pressione e temperatura è abbastanza calda da fondere il piombo e distruggere la navicella spaziale che osa atterrare su di essa. Grazie alla sua atmosfera densa, è anche più caldo del pianeta Mercurio, che orbita più vicino al Sole. La sua drammatica deviazione da un ambiente simile alla Terra è spesso usata come esempio di ciò che accade in un effetto serra incontrollato.

La principale fonte di calore nel Sistema Solare è l'energia del Sole, che riscalda la superficie di un pianeta, e poi il pianeta irradia energia nello spazio. Un'atmosfera intrappola parte dell'energia in uscita, trattenere il calore – il cosiddetto effetto serra. È un fenomeno naturale che aiuta a regolare la temperatura di un pianeta. Se non fosse per i gas serra come il vapore acqueo, diossido di carbonio, metano e ozono, La temperatura della superficie terrestre sarebbe di circa 30 gradi più fredda della sua media attuale di +15ºC.

Nei secoli passati, gli umani hanno alterato questo equilibrio naturale sulla Terra, rafforzare l'effetto serra sin dagli albori dell'attività industriale, apportando ulteriore anidride carbonica insieme agli ossidi di azoto, solfati e altri gas in traccia e polvere e particelle di fumo nell'aria. Gli effetti a lungo termine sul nostro pianeta includono il riscaldamento globale, piogge acide e l'impoverimento dello strato di ozono. Le conseguenze del riscaldamento climatico sono di vasta portata, potenzialmente in grado di influenzare le risorse di acqua dolce, produzione alimentare globale e livello del mare, e innescando un aumento degli eventi meteorologici estremi.

Non c'è attività umana su Venere, ma studiare la sua atmosfera fornisce un laboratorio naturale per comprendere meglio un effetto serra incontrollato. Ad un certo punto della sua storia, Venere ha iniziato a intrappolare troppo calore. Una volta si pensava che ospitasse oceani come la Terra, ma il calore aggiunto trasformò l'acqua in vapore, e a sua volta, il vapore acqueo aggiuntivo nell'atmosfera ha intrappolato sempre più calore fino a quando interi oceani sono completamente evaporati. Venus Express ha anche mostrato che il vapore acqueo sta ancora fuoriuscendo dall'atmosfera di Venere e nello spazio oggi.

Venus Express ha anche scoperto un misterioso strato di anidride solforosa ad alta quota nell'atmosfera del pianeta. L'anidride solforosa è attesa dall'emissione dei vulcani – durante la durata della missione Venus Express ha registrato grandi cambiamenti nel contenuto di anidride solforosa dell'atmosfera. Ciò porta a nubi e goccioline di acido solforico ad altitudini di circa 50-70 km:l'anidride solforosa residua dovrebbe essere distrutta dall'intensa radiazione solare. Quindi è stata una sorpresa per Venus Express scoprire uno strato di gas a circa 100 km. È stato determinato che l'evaporazione delle goccioline di acido solforico libera acido solforico gassoso che viene poi frantumato dalla luce solare, liberando il gas di anidride solforosa.

L'osservazione aggiunge alla discussione cosa potrebbe accadere se grandi quantità di anidride solforosa venissero iniettate nell'atmosfera terrestre – una proposta fatta su come mitigare gli effetti del cambiamento climatico sulla Terra. Il concetto è stato dimostrato dall'eruzione vulcanica del 1991 del Monte Pinatubo nelle Filippine, quando l'anidride solforosa espulsa dall'eruzione ha creato piccole goccioline di acido solforico concentrato – come quelle che si trovano nelle nuvole di Venere – a circa 20 km di altitudine. Ciò ha generato uno strato di foschia e ha raffreddato il nostro pianeta a livello globale di circa 0,5°C per diversi anni. Poiché questa foschia riflette il calore, è stato proposto che un modo per ridurre le temperature globali sarebbe quello di iniettare artificialmente grandi quantità di anidride solforosa nella nostra atmosfera. Però, gli effetti naturali del Monte Pinatubo offrivano solo un temporaneo effetto rinfrescante. Lo studio dell'enorme strato di goccioline di nubi di acido solforico su Venere offre un modo naturale per studiare gli effetti a lungo termine; una foschia inizialmente protettiva ad alta quota sarebbe poi riconvertita in acido solforico gassoso, che è trasparente e lascia passare tutti i raggi del sole. Per non parlare dell'effetto collaterale delle piogge acide, che sulla Terra possono provocare effetti dannosi sui suoli, vita vegetale e acqua.

Congelamento globale

L'altro nostro vicino, Marte, si trova a un altro estremo:sebbene la sua atmosfera sia anche prevalentemente anidride carbonica, oggi non ne ha quasi per niente, con un volume atmosferico totale inferiore all'1% di quello terrestre.

L'atmosfera di Marte è così sottile che, sebbene l'anidride carbonica si condensi in nuvole, non può trattenere energia sufficiente dal Sole per mantenere l'acqua superficiale - si vaporizza istantaneamente in superficie. Ma con la sua bassa pressione e le temperature relativamente miti di -55ºC (che vanno da -133ºC al polo invernale a +27ºC durante l'estate), l'astronave non si scioglie sulla sua superficie, permettendoci un maggiore accesso per scoprire i suoi segreti. Per di più, grazie alla mancanza di riciclaggio della tettonica a placche sul pianeta, rocce vecchie di quattro miliardi di anni sono direttamente accessibili ai nostri lander e rover che esplorano la sua superficie. Nel frattempo i nostri orbiter, compreso Mars Express, che da oltre 15 anni osserva il pianeta, trovano costantemente prove delle sue acque un tempo correnti, oceani e laghi, dando una speranza allettante che un tempo avrebbe potuto sostenere la vita.

Anche il Pianeta Rosso sarebbe partito con un'atmosfera più densa grazie al rilascio di sostanze volatili da asteroidi e comete, e il degassamento vulcanico dal pianeta mentre il suo interno roccioso si raffreddava. Semplicemente non poteva trattenere la sua atmosfera molto probabilmente a causa della sua massa più piccola e della sua gravità inferiore. Inoltre, la sua temperatura iniziale più alta avrebbe dato più energia alle molecole di gas nell'atmosfera, permettendo loro di fuggire più facilmente. E, avendo anche perso il suo campo magnetico globale all'inizio della sua storia, la restante atmosfera è stata successivamente esposta al vento solare – un flusso continuo di particelle cariche provenienti dal Sole – che, proprio come su Venere, continua a spogliare l'atmosfera anche oggi.

Con un'atmosfera ridotta, l'acqua di superficie si muoveva sottoterra, rilasciati come vaste inondazioni improvvise solo quando gli impatti hanno riscaldato il terreno e rilasciato l'acqua e il ghiaccio sotterranei. È anche rinchiuso nelle calotte polari. Mars Express ha anche recentemente rilevato una pozza di acqua liquida sepolta entro due chilometri dalla superficie. Le prove della vita potrebbero anche essere sotterranee? Questa domanda è al centro del rover ExoMars europeo, programmato per il lancio nel 2020 e l'atterraggio nel 2021 per perforare fino a due metri sotto la superficie per recuperare e analizzare campioni alla ricerca di biomarcatori.

Si pensa che Marte stia uscendo da un'era glaciale. Come la Terra, Marte è sensibile ai cambiamenti di fattori come l'inclinazione del suo asse di rotazione mentre orbita attorno al Sole; si pensa che la stabilità dell'acqua in superficie sia variata da migliaia a milioni di anni poiché l'inclinazione assiale del pianeta e la sua distanza dal Sole subiscono cambiamenti ciclici. L'orbita di gas traccia ExoMars, attualmente sta studiando il Pianeta Rosso dall'orbita, materiale idratato recentemente rilevato nelle regioni equatoriali che potrebbe rappresentare posizioni precedenti dei poli del pianeta in passato.

La missione principale del Trace Gas Orbiter è condurre un inventario preciso dell'atmosfera del pianeta, in particolare i gas in tracce che costituiscono meno dell'1% del volume totale dell'atmosfera del pianeta. Di particolare interesse è il metano, che sulla Terra è prodotto in gran parte dall'attività biologica, e anche da processi naturali e geologici. Accenni di metano sono stati precedentemente segnalati da Mars Express, e in seguito dal rover Curiosity della NASA sulla superficie del pianeta, ma gli strumenti altamente sensibili del Trace Gas Orbiter hanno finora segnalato un'assenza generale del gas, approfondire il mistero. Per corroborare i diversi risultati, gli scienziati non stanno solo studiando come potrebbe essere creato il metano, ma anche come potrebbe essere distrutto vicino alla superficie. Non tutte le forme di vita generano metano, però, e si spera che il rover con la sua trivella sotterranea possa dirci di più. Certamente la continua esplorazione del Pianeta Rosso ci aiuterà a capire come e perché il potenziale di abitabilità di Marte è cambiato nel tempo.

Esplorando più lontano

Pur partendo dagli stessi ingredienti, I vicini della Terra hanno subito catastrofi climatiche devastanti e non hanno potuto trattenere a lungo la loro acqua. Venere divenne troppo calda e Marte troppo freddo; solo la Terra è diventata il pianeta "Riccioli d'Oro" con le giuste condizioni. Ci siamo avvicinati a diventare simili a Marte in una precedente era glaciale? Quanto siamo vicini all'effetto serra che affligge Venere? Comprendere l'evoluzione di questi pianeti e il ruolo delle loro atmosfere è estremamente importante per comprendere i cambiamenti climatici sul nostro pianeta poiché in definitiva le stesse leggi della fisica governano tutto. I dati restituiti dalla nostra navicella spaziale in orbita forniscono promemoria naturali che la stabilità del clima non è qualcosa da dare per scontato.

In ogni caso, nel lunghissimo termine – miliardi di anni nel futuro – una Terra in serra è un risultato inevitabile per mano del Sole che invecchia. La nostra stella un tempo vivificante alla fine si gonfierà e illuminerà, iniettando abbastanza calore nel delicato sistema terrestre per far bollire i nostri oceani, mandandolo lungo lo stesso percorso del suo gemello malvagio.