Klimat wyjaśniony: dlaczego Mars jest zimny mimo atmosfery składającej się głównie z dwutlenku węgla

Climate Explained to współpraca między The Conversation, Stuff i nowozelandzkim Science Media Centre, której celem jest udzielenie odpowiedzi na Wasze pytania dotyczące zmian klimatu.

Jeśli masz pytanie, na które chciałbyś, aby odpowiedział ekspert, wyślij je na adres [email protected]

Jeśli niewielkie stężenie dwutlenku węgla może zatrzymać wystarczająco dużo ciepła, aby wywołać globalne ocieplenie na Ziemi, dlaczego Mars jest zimny? Jego atmosfera składa się w 95% z dwutlenku węgla.

Przepis na temperaturę powierzchni planety ma cztery główne składniki: skład atmosfery, gęstość atmosfery, zawartość wody (z oceanów, rzek i wilgotności powietrza) i odległość od Słońca. Istnieją inne składniki, w tym efekty sezonowe lub obecność magnetosfery, ale działają one bardziej jak dodawanie smaku do ciasta.

Gdy patrzymy na Ziemię, równowaga tych składników sprawia, że nasza planeta nadaje się do zamieszkania. Zmiany w tej równowadze mogą powodować skutki, które mogą być odczuwalne w skali planetarnej. To jest dokładnie to, co dzieje się ze wzrostem ilości gazów cieplarnianych w atmosferze naszej planety.

Wzrastające stężenie dwutlenku węgla, metanu, sześciofluorku siarki i innych gazów w atmosferze stopniowo podnosi temperaturę powierzchni naszej planety i będzie tak jeszcze przez wiele lat.

W konsekwencji miejsca pokryte lodem zaczynają topnieć, a ekstremalne zjawiska pogodowe stają się coraz częstsze. Stanowi to dla nas coraz większe wyzwanie, aby dostosować się do tej nowej rzeczywistości.

Małe stężenie, duży efekt

Zaskakujące jest uświadomienie sobie, jak niewiele musi się zmienić stężenie dwutlenku węgla (CO₂) i innych gazów cieplarnianych, aby spowodować taką zmianę w naszym klimacie. Od lat 50. ubiegłego wieku podnieśliśmy poziom CO₂ w atmosferze o ułamek procenta, ale to już powoduje kilka zmian w naszym klimacie.

Dzieje się tak dlatego, że CO₂ stanowi niewielką część ziemskiej atmosfery. Mierzy się go w częściach na milion (ppm), co oznacza, że na każdą cząsteczkę dwutlenku węgla przypada milion innych. Jego stężenie wynosi zaledwie 0,041%, ale nawet niewielka zmiana procentowa oznacza dużą zmianę w stężeniu.

Możemy powiedzieć, jak wyglądała atmosfera i klimat Ziemi w odległej przeszłości, analizując pęcherzyki starożytnego powietrza uwięzionego w lodzie. Podczas epok lodowcowych na Ziemi stężenie dwutlenku węgla wynosiło około 200ppm. W cieplejszych okresach międzylodowcowych oscylowało wokół 280 ppm, ale od lat 50. ubiegłego wieku nieustannie wzrasta. W 2013 r. poziom CO₂ przekroczył 400 ppm po raz pierwszy w zarejestrowanej historii.

Ten wzrost reprezentuje prawie podwojenie koncentracji i jest jasne, że w przepisie na temperaturę powierzchni Ziemi, dwutlenek węgla i inne gazy cieplarniane mają być używane z umiarem.

Rola wody

Jak mąka do ciasta, woda jest ważnym składnikiem powierzchni Ziemi. Woda sprawia, że temperatura porusza się powoli. To dlatego temperatury w lasach tropikalnych nie zmieniają się zbytnio, ale na pustyni Sahara w nocy jest zimno. Ziemia jest bogata w wodę.

Przyjrzyjrzyjmy się naszym stałym planetom. Merkury jest najbliższą Słońcu planetą, ale ma bardzo cienką atmosferę i nie jest najcieplejszą planetą. Wenus jest bardzo, bardzo gorąca. Jej atmosfera jest bogata w dwutlenek węgla (ponad 96%) i jest bardzo gęsta.

Atmosfera Marsa jest również bogata w dwutlenek węgla (ponad 96%), ale jest niezwykle cienka (1% atmosfery ziemskiej), bardzo sucha i znajduje się dalej od Słońca. Ta kombinacja sprawia, że planeta jest niezwykle zimnym miejscem.

Brak wody sprawia, że temperatura na Marsie bardzo się zmienia. Łaziki badające Marsa (Spirit w Kraterze Gusev i Opportunity w Meridiani Planun) doświadczyły temperatur od kilku stopni Celsjusza powyżej zera do minus 80℃ w nocy: każdego pojedynczego marsjańskiego dnia, znanego jako sol.

Terraformowanie lub terra fixing

Jednym z interesujących wyzwań, przed jakimi stajemy budując kosmiczne ładunki użyteczne, tak jak to robimy na Griffith University, jest zbudowanie instrumentów, które mogą wytrzymać tak szeroki zakres temperatur.

Uwielbiam rozmowy o terraformowaniu. Jest to pomysł, że moglibyśmy polecieć na planetę z atmosferą niezdatną do oddychania i naprawić ją za pomocą jakiejś maszyny, która filtrowałaby paskudne gazy i uwalniała te dobre, które są nam potrzebne do przetrwania, w odpowiedniej ilości. Jest to motyw powtarzający się w wielu filmach science fiction, w tym Aliens, Total Recall i Red Planet.

Mam nadzieję, że uda nam się naprawić naszą własną atmosferę na Ziemi i zmniejszyć gorączkę naszej planety.