Man har en tjock giftig atmosfär, man har knappt någon atmosfär alls, och en är helt rätt för att livet ska blomstra – men det var inte alltid så. Atmosfärerna hos våra två grannar Venus och Mars kan lära oss mycket om tidigare och framtida scenarier för vår egen planet.

Spola tillbaka 4,6 miljarder år från nutiden till planetariska bygggården, och vi ser att alla planeterna delar en gemensam historia:de föddes alla från samma virvlande moln av gas och damm, med den nyfödda solen tänd i centrum. Sakta men säkert, med hjälp av gravitationen, damm samlats i stenblock, så småningom snöar in i planetstora enheter.

Stenigt material kunde motstå värmen närmast solen, medan gasig, isigt material kunde bara överleva längre bort, ger upphov till de innersta jordiska planeterna och de yttersta gas- och isjättarna, respektive. Resterna gjorde asteroider och kometer.

Atmosfärerna på stenplaneterna bildades som en del av den mycket energiska byggprocessen, mestadels genom avgasning när de svalnade, med några små bidrag från vulkanutbrott och mindre leverans av vatten, gaser och andra ingredienser av kometer och asteroider. Med tiden genomgick atmosfären en stark utveckling tack vare en intrikat kombination av faktorer som i slutändan ledde till den nuvarande statusen, med jorden som den enda kända planeten som försörjer liv, och den enda med flytande vatten på ytan idag.

Vi vet från rymduppdrag som ESA:s Venus Express, som observerade Venus från omloppsbana mellan 2006 och 2014, och Mars Express, undersöker den röda planeten sedan 2003, att flytande vatten en gång strömmade på våra systerplaneter, för. Medan vattnet på Venus för länge sedan har kokat bort, på Mars är den antingen begravd under jord eller inlåst i iskappor. Intimt kopplat till historien om vattnet – och i slutändan till den stora frågan om huruvida liv kunde ha uppstått bortom jorden – är tillståndet för en planets atmosfär. Och kopplat till det, samspelet och utbytet av material mellan atmosfären, oceaner och planetens steniga inre.

Planetär återvinning

Tillbaka till våra nybildade planeter, från en boll av smält sten med en mantel som omger en tät kärna, de uppgav att svalna. Jorden, Venus och Mars upplevde alla avgasningsaktivitet under dessa tidiga dagar, som bildade den första unga, heta och täta atmosfärer. Eftersom dessa atmosfärer också svalnade, de första haven regnade ner från himlen.

I något skede, fastän, egenskaperna hos de tre planeternas geologiska aktivitet skiljde sig åt. Jordens solida lock sprack till tallrikar, på vissa ställen dykning under en annan platta i subduktionszoner, och på andra ställen kolliderar för att skapa stora bergskedjor eller dras isär för att skapa gigantiska sprickor eller ny skorpa. Jordens tektoniska plattor rör sig fortfarande idag, ger upphov till vulkanutbrott eller jordbävningar vid deras gränser.

Venus, som bara är något mindre än jorden, kan fortfarande ha vulkanisk aktivitet idag, och dess yta verkar ha återuppstått med lavor så sent som för en halv miljard år sedan. Idag har den inget urskiljbart plattektoniksystem; dess vulkaner drevs sannolikt av termiska plymer som stiger genom manteln – skapade i en process som kan liknas vid en "lavalampa", men i gigantisk skala.

Mars, vara mycket mindre, svalnade snabbare än jorden och Venus, och när dess vulkaner slocknade förlorade den ett viktigt sätt att fylla på atmosfären. Men den har fortfarande den största vulkanen i hela solsystemet, den 25 kilometer höga Olympus Mons, sannolikt också resultatet av kontinuerlig vertikal uppbyggnad av jordskorpan från plymer som stiger underifrån. Även om det finns bevis för tektonisk aktivitet under de senaste 10 miljoner åren, och till och med enstaka marsbävningar i nutid, planeten tros inte ha ett jordliknande tektoniksystem heller.

Det är inte bara global plattektonik som gör jorden speciell, men den unika kombinationen med hav. Idag våra hav, som täcker ungefär två tredjedelar av jordens yta, absorbera och lagra mycket av vår planets värme, transporterar den längs strömmar runt om i världen. När en tektonisk platta dras ner i manteln, den värms upp och släpper ut vatten och gaser som är instängda i klipporna, som i sin tur sipprar genom hydrotermiska ventiler på havsbotten.

Extremt tåliga livsformer har hittats i sådana miljöer på botten av jordens hav, ger ledtrådar om hur tidigt livet kan ha börjat, och ge forskare tips om var man kan leta någon annanstans i solsystemet:Jupiters måne Europa, eller Saturnus isiga måne Enceladus till exempel, som döljer oceaner av flytande vatten under deras isiga skorpa, med bevis från rymduppdrag som Cassini som tyder på att hydrotermisk aktivitet kan vara närvarande.

Dessutom, plattektonik hjälper till att modulera vår atmosfär, reglerar mängden koldioxid på vår planet under långa tidsskalor. När atmosfärisk koldioxid kombineras med vatten, kolsyra bildas, som i sin tur löser upp stenar. Regn för kolsyran och kalciumet till haven – koldioxid löses också direkt i haven – där den cirkuleras tillbaka till havsbotten. Under nästan hälften av jordens historia innehöll atmosfären väldigt lite syre. Oceaniska cynobakterier var de första som använde solens energi för att omvandla koldioxid till syre, en vändpunkt när det gäller att tillhandahålla atmosfären som mycket längre fram tillät komplext liv att blomstra. Utan den planetära återvinningen och regleringen mellan manteln, hav och atmosfär, Jorden kan ha hamnat mer som Venus.

Extrem växthuseffekt

Venus kallas ibland för jordens onda tvilling på grund av att den är nästan lika stor men plågas av en tjock skadlig atmosfär och en svällande yta på 470ºC. Dess höga tryck och temperatur är tillräckligt varmt för att smälta bly – och förstöra rymdfarkosten som vågar landa på den. Tack vare sin täta atmosfär, det är ännu varmare än planeten Merkurius, som kretsar närmare solen. Dess dramatiska avvikelse från en jordliknande miljö används ofta som ett exempel på vad som händer i en skenande växthuseffekt.

Den huvudsakliga värmekällan i solsystemet är solens energi, som värmer en planets yta, och sedan strålar planeten energi tillbaka ut i rymden. En atmosfär fångar en del av den utgående energin, hålla värmen – den så kallade växthuseffekten. Det är ett naturligt fenomen som hjälper till att reglera en planets temperatur. Om det inte vore för växthusgaser som vattenånga, koldioxid, metan och ozon, Jordens yttemperatur skulle vara cirka 30 grader svalare än dess nuvarande genomsnittliga +15ºC.

Under de senaste århundradena, människor har förändrat denna naturliga balans på jorden, stärka växthuseffekten sedan industriell verksamhets början genom att bidra med ytterligare koldioxid tillsammans med kväveoxider, sulfater och andra spårgaser samt damm och rökpartiklar i luften. De långsiktiga effekterna på vår planet inkluderar global uppvärmning, surt regn och utarmningen av ozonskiktet. Konsekvenserna av ett värmande klimat är långtgående, potentiellt påverka sötvattenresurser, global livsmedelsproduktion och havsnivån, och utlöser en ökning av extrema väderhändelser.

Det finns ingen mänsklig aktivitet på Venus, men att studera dess atmosfär ger ett naturligt laboratorium för att bättre förstå en skenande växthuseffekt. Någon gång i dess historia, Venus började fånga för mycket värme. Det ansågs en gång vara värd för hav som jorden, men den tillsatta värmen förvandlade vatten till ånga, och i sin tur, ytterligare vattenånga i atmosfären fångade mer och mer värme tills hela hav helt förångades. Venus Express visade till och med att vattenånga fortfarande flyr från Venus atmosfär och ut i rymden idag.

Venus Express upptäckte också ett mystiskt lager av svaveldioxid på hög höjd i planetens atmosfär. Svaveldioxid förväntas från utsläpp av vulkaner – under uppdragets varaktighet registrerade Venus Express stora förändringar i svaveldioxidhalten i atmosfären. Detta leder till svavelsyramoln och -droppar på höjder av cirka 50-70 km – eventuell kvarvarande svaveldioxid bör förstöras av intensiv solstrålning. Så det var en överraskning för Venus Express att upptäcka ett lager av gasen på cirka 100 km. Det fastställdes att förångande svavelsyra droppar fri gasformig svavelsyra som sedan bryts isär av solljus, släpper ut svaveldioxidgasen.

Observationen lägger till diskussionen om vad som kan hända om stora mängder svaveldioxid injiceras i jordens atmosfär – ett förslag på hur man kan mildra effekterna av det förändrade klimatet på jorden. Konceptet demonstrerades från vulkanutbrottet 1991 av Mount Pinatubo i Filippinerna, när svaveldioxid som sprutades ut från utbrottet skapade små droppar av koncentrerad svavelsyra – som de som finns i Venus moln – på cirka 20 km höjd. Detta genererade ett dislager och kylde vår planet globalt med cirka 0,5ºC under flera år. Eftersom detta dis reflekterar värme har det föreslagits att ett sätt att sänka den globala temperaturen skulle vara att injicera artificiellt stora mängder svaveldioxid i vår atmosfär. Dock, de naturliga effekterna av Mt Pinatubo erbjöd bara en tillfällig kyleffekt. Att studera det enorma lagret av svavelsyramolndroppar vid Venus erbjuder ett naturligt sätt att studera effekterna på längre sikt; en initialt skyddande dis på högre höjd skulle så småningom omvandlas tillbaka till gasformig svavelsyra, som är genomskinlig och släpper igenom alla solens strålar. För att inte tala om bieffekten av surt regn, som på jorden kan orsaka skadliga effekter på marken, växtliv och vatten.

Global frysning

Vår andra granne, Mars, ligger i en annan ytterlighet:även om dess atmosfär också till övervägande del består av koldioxid, idag har den knappt några alls, med en total atmosfärsvolym som är mindre än 1 % av jordens.

Mars befintliga atmosfär är så tunn att även om koldioxid kondenseras till moln, den kan inte behålla tillräckligt med energi från solen för att upprätthålla ytvatten – den förångas omedelbart vid ytan. Men med sitt låga tryck och relativt ljumma temperaturer på -55ºC (från -133ºC vid vinterpolen till +27ºC under sommaren), rymdfarkoster smälter inte på sin yta, ger oss större tillgång till att avslöja dess hemligheter. Vidare, tack vare bristen på återvinningsplattektonik på planeten, fyra miljarder år gamla stenar är direkt tillgängliga för våra landare och rovers som utforskar dess yta. Under tiden våra orbiters, inklusive Mars Express, som har undersökt planeten i mer än 15 år, hittar ständigt bevis för dess en gång strömmande vatten, hav och sjöar, ger ett lockande hopp om att det en gång kunde ha stöttat livet.

Den röda planeten skulle också ha börjat med en tjockare atmosfär tack vare leveransen av flyktiga ämnen från asteroider och kometer, och vulkanisk avgasning från planeten när dess steniga inre svalnade. Den kunde helt enkelt inte hålla fast vid sin atmosfär troligen på grund av dess mindre massa och lägre gravitation. Dessutom, dess initiala högre temperatur skulle ha gett mer energi till gasmolekyler i atmosfären, så att de lättare kan fly. Och, har också förlorat sitt globala magnetfält tidigt i sin historia, den återstående atmosfären exponerades därefter för solvinden – ett kontinuerligt flöde av laddade partiklar från solen – att, precis som på Venus, fortsätter att ta bort atmosfären även idag.

Med en minskad atmosfär, ytvattnet rörde sig under jorden, släpptes som stora översvämningar endast när stötar värmde marken och släppte ut vatten och is under ytan. Den är också inlåst i polarisarna. Mars Express upptäckte också nyligen en pool av flytande vatten begravd inom två kilometer från ytan. Kan bevis på liv också finnas under jorden? Denna fråga är i centrum för Europas ExoMars-rover, planerad att lanseras 2020 och landa 2021 för att borra upp till två meter under ytan för att hämta och analysera prover i sökandet efter biomarkörer.

Mars tros för närvarande komma ur en istid. Som jorden, Mars är känsligt för förändringar i faktorer som lutningen av dess rotationsaxel när den kretsar runt solen; man tror att vattnets stabilitet vid ytan har varierat under tusentals till miljoner år eftersom planetens axiella lutning och dess avstånd från solen genomgår cykliska förändringar. ExoMars Trace Gas Orbiter, undersöker för närvarande den röda planeten från omloppsbana, nyligen upptäckt hydratiserat material i ekvatorialområden som kunde representera tidigare platser för planetens poler i det förflutna.

Trace Gas Orbiters främsta uppdrag är att göra en exakt inventering av planetens atmosfär, i synnerhet spårgaserna som utgör mindre än 1 % av planetens totala volym atmosfär. Av särskilt intresse är metan, som på jorden till stor del produceras av biologisk aktivitet, och även genom naturliga och geologiska processer. Antydningar av metan har tidigare rapporterats av Mars Express, och senare av NASA:s Curiosity-rover på planetens yta, men Trace Gas Orbiters mycket känsliga instrument har hittills rapporterat en allmän frånvaro av gasen, fördjupa mysteriet. För att bekräfta de olika resultaten, forskare undersöker inte bara hur metan kan skapas, men också hur det kan förstöras nära ytan. Inte alla livsformer genererar metan, dock, och rovern med sin underjordiska borr kommer förhoppningsvis att kunna berätta mer. Säkert kommer den fortsatta utforskningen av den röda planeten att hjälpa oss att förstå hur och varför Mars beboelighetspotential har förändrats över tiden.

Utforskar längre

Trots att man börjar med samma ingredienser, Jordens grannar drabbades av förödande klimatkatastrofer och kunde inte hålla på sitt vatten länge. Venus blev för varm och Mars för kall; bara jorden blev "Goldilocks"-planeten med de helt rätta förhållandena. Var vi nära att bli Mars-liknande under en tidigare istid? Hur nära är vi den skenande växthuseffekten som plågar Venus? Att förstå utvecklingen av dessa planeter och deras atmosfärers roll är oerhört viktigt för att förstå klimatförändringarna på vår egen planet eftersom i slutändan samma fysiklagar styr allt. Datan som returneras från vår kretsande rymdfarkost ger naturliga påminnelser om att klimatstabilitet inte är något som ska tas för givet.

Hur som helst, på mycket lång sikt – miljarder år in i framtiden – är ett växthus jorden ett oundvikligt resultat i händerna på den åldrande solen. Vår en gång livgivande stjärna kommer så småningom att svälla och ljusna, injicera tillräckligt med värme i jordens känsliga system för att koka våra hav, skickar den längs samma väg som dess onda tvilling.