Gezegenler neden bu kadar farklı atmosferlere sahip?

Kanca

Aynı aileden üç kardeş düşün. Aynı evde, aynı yemekle büyümüşler. Biri bugün kavurucu bir fırında yaşıyor, biri donmuş bir çölde, üçüncüsü ise ormanlarla ve okyanuslarla dolu bir bahçede. Venüs, Dünya ve Mars'ın hikâyesi böyle.

Üçü de aynı dönen diskten, benzer kaya ve metal malzemeden doğdu. Üçünün de gençliğinde suyu vardı. Ama Venüs'ün yüzeyinde bugün kurşun eriyor, Mars'ın havası bir nefeslik incelikte, Dünya ise milyarlarca yıldır yaşamı barındırıyor. Üç kardeş gezegen, üç çok farklı kader. Aradaki fark nereden çıktı?

Merkezi soru

Benzer malzemeden doğan Venüs, Dünya ve Mars neden bu kadar farklı atmosferlere ve iklimlere sahip oldu ve bu farkı hangi etkenler belirledi?

Anlatım

Üç gezegen, üç hava

Önce bugünkü tabloya bakalım. Venüs'ün havası neredeyse tamamen karbondioksittir ve yüzeyde Dünya'dakinin yaklaşık doksan katı basınç yaratır. Ders 3.2'de gördüğümüz kaçak sera etkisi bu gezegeni kavurur. Mars'ın havası da çoğunlukla karbondioksittir, ama o kadar incedir ki yüzeydeki basınç Dünya'dakinin yüzde birinden azdır. Dünya'nın havası ise çoğunlukla azot ve oksijendir, ince bir sera örtüsüyle suyu sıvı tutar.

İlginç olan, iki komşunun havasının aynı gazdan yapılmış olması. Biri o gazın fazlasından, öbürü azlığından yakınıyor. Dünya'nın havasında ise karbondioksit çok azdır. Bütün karbondioksit nereye gitti?

Kayalara kilitlenen karbon

Cevap ayağımızın altında. Dünya'daki karbonun büyük bölümü havada değil, kireçtaşı gibi kayaçların içinde kilitlidir. Bu karbon bir gün havaya salınsaydı, Dünya'nın havası Venüs'ünkini andıran kalın bir karbondioksit örtüsüne dönüşürdü. Yani Dünya ile Venüs, sandığımızdan daha benzer miktarda karbon taşıyor. Fark, o karbonun nerede durduğunda.

Karbonu kayaya çeviren, suyla işleyen yavaş bir döngüdür. Havadaki karbondioksit yağmur suyunda çözünür ve kayaçları aşındırır. Akarsular çözünen maddeleri okyanuslara taşır. Orada karbon, deniz canlılarının kabuklarında ve tortularda kireçtaşına dönüşür ve deniz tabanına çöker. Levha hareketleri bu tortuları milyonlarca yıl içinde yerin derinliklerine taşır. Yanardağlar ise karbondioksitin bir kısmını yeniden havaya verir.

Bu döngünün en şaşırtıcı yanı, bir termostat gibi çalışmasıdır. James Walker, Paul Hays ve James Kasting'in 1981'de önerdiği modele göre, iklim ısındığında yağmur ve kayaç aşınması hızlanır ve havadan daha çok karbondioksit çekilir; iklim soğuyunca aşınma yavaşlar ve yanardağların saldığı gaz yeniden birikir. Bu dengeleyici geri besleme, milyonlarca yıllık zaman ölçeğinde Dünya'nın sıcaklığını suyun sıvı kalabileceği aralıkta tutmaya yardım ediyor. Dikkat: bu termostat çok yavaş çalışır; bugün insanların havaya kattığı karbondioksiti on yıllar içinde dengeleyemez.

Venüs: Kaybolan okyanus

Venüs, Güneş'e Dünya'dan daha yakındır ve daha çok Güneş ışığı alır. Genç Venüs'ün de suyu vardıysa, bu fazla ısı suyun daha çok buharlaşmasına yol açtı. Su buharı da güçlü bir sera gazıdır; hava ısındıkça daha çok su buharlaştı ve döngü kontrolden çıktı. Sıvı su olmayınca, karbondioksiti kayaya çeviren termostat da çalışamadı. Yanardağların saldığı gaz havada birikmeye devam etti.

Su buharı havanın yüksek katmanlarına çıkınca, Güneş'in mor ötesi ışığı su moleküllerini parçaladı. Hafif hidrojen atomları uzaya kaçtı. Peki bunu nereden biliyoruz? Hidrojenin, çekirdeğinde fazladan bir nötron taşıyan ağır bir kardeşi vardır: döteryum (deuterium). Döteryum daha ağır olduğu için uzaya daha zor kaçar. Bir gezegen suyunu uzun süre boyunca kaybederse, geride kalan suda döteryum giderek zenginleşir.

1978'de Venüs'e dalan Pioneer Venus sondası, bu oranı ölçtü. Thomas Donahue ve arkadaşlarının 1982'de yayımladığı sonuca göre Venüs'ün havasındaki döteryum oranı, Dünya'dakinin yaklaşık yüz katıydı. Bu, Venüs'ün geçmişte çok daha fazla suya sahip olduğunun ve onu uzaya kaybettiğinin güçlü bir kanıtıdır. Venüs'ün bir zamanlar gerçek okyanuslara sahip olup olmadığı ise hâlâ tartışılıyor.

Mars: Soğuyan küçük kardeş

Mars'ın kaderini belirleyen en büyük etken, boyutudur. Ders 3.4'teki gibi yarıçapı Dünya'nınkinin yarısı kadardır, kütlesi ise Dünya'nın yaklaşık onda biridir. Küçük bir gezegen, sıcak bir çayın bardağı gibi, iç ısısını daha çabuk kaybeder.

İçi soğuyan Mars'ta yanardağ etkinliği zamanla azaldı, böylece havaya yeni gaz katılması da azaldı. Çekirdeği soğuyunca, Ders 3.3'teki MAVEN ölçümlerinin gösterdiği gibi, küresel manyetik alanı da söndü. Zayıf kütleçekimi, havasını tutmayı daha da zorlaştırdı. Havanın bir kısmı Güneş rüzgârıyla uzaya kaçtı, bir kısmı yüzeydeki kayaçlara ve buza bağlandı. Hava inceldikçe sera örtüsü zayıfladı, gezegen soğudu ve yüzeydeki su donarak toprağın altına ve kutuplara çekildi.

Kaderi belirleyen üç etken

Bu karşılaştırmadan üç büyük etken çıkıyor ve bunlar birbirinden bağımsız değil. Güneş'e uzaklık, gezegenin ne kadar enerji aldığını ve suyun hangi hâlde kalacağını belirler. Gezegenin boyutu, havayı tutacak kütleçekimini ve yanardağları, levha hareketlerini, manyetik alanı besleyen iç ısıyı belirler. Suyun ve karbonun döngüsü ise ancak bu ikisi uygun olduğunda işleyebilir ve gezegenin kendi iklimini dengeleyip dengeleyemeyeceğine karar verir.

Dünya, üçünü birden doğru karışımda taşıyan kardeştir. Venüs uzaklık yüzünden, Mars boyut yüzünden bu dengeyi yitirdi.

Aslında…

Bu, manyetik alanın önemsiz olduğu anlamına gelmez. Bir gezegenin havasını kaybedip kaybetmediği; kütleçekimine, sıcaklığına, Güneş'ten ne kadar ışınım aldığına ve iç ısısına birlikte bağlıdır. Bu konu, gezegen bilimcilerin bugün de tartıştığı açık sorulardan biridir.

Büyük resim

Venüs ve Mars, Dünya'nın alternatif geleceklerini ve geçmişlerini gösteren birer doğal deney gibidir. Venüs, bir gezegenin iklim dengesi bozulduğunda neler olabileceğini; Mars ise bir gezegenin iç ısısını ve havasını yitirdiğinde nasıl donabileceğini gösteriyor.

Bu karşılaştırmalı bakış, başka yıldızların çevresinde bulunan kayalık gezegenleri anlamak için de anahtardır. Bir ötegezegenin yaşanabilir olup olmadığını sorarken, yalnızca yıldızına uzaklığını değil, büyüklüğünü, havasını ve karbon döngüsünü de sormamız gerekir.

Özet

1. Venüs'ün havası Dünya'dakinin yaklaşık doksan katı basınçta kalın bir karbondioksit örtüsü, Mars'ınki ise yüzde birinden az basınçta ince bir karbondioksit tabakasıdır; Dünya'nın karbonunun büyük bölümü ise kayaçlarda kilitlidir.
2. Dünya'da su ve levha hareketleriyle işleyen karbon döngüsü, milyonlarca yıllık ölçekte bir termostat gibi çalışır; Venüs Güneş'e yakınlığı yüzünden suyunu kaybetti ve havasındaki yüksek döteryum oranı bu kaybın izini taşır.
3. Mars küçük olduğu için içi hızla soğudu, yanardağları ve manyetik alanı söndü ve havası inceldi; gezegenlerin kaderini uzaklık, boyut ve su ile karbonun döngüsü birlikte belirler.

Görev

Quiz

1. Venüs ve Mars'ın havasındaki ana gaz nedir ve iki gezegen arasındaki fark nedir?
2. Dünya'daki karbonun büyük bölümü nerededir?
3. Karbon döngüsü neden bir termostat gibi çalışır?
4. Venüs'ün havasındaki yüksek döteryum oranı ne anlatır?
5. Mars'ın küçük olması, havasını kaybetmesinde nasıl bir rol oynadı?

Cevaplar

1. İkisinde de ana gaz karbondioksittir; ama Venüs'ün havası çok kalın, yüzeyde Dünya'dakinin yaklaşık doksan katı basınç yaratır, Mars'ınki ise çok incedir ve basıncı Dünya'dakinin yüzde birinden azdır.
2. Havada değil, kireçtaşı gibi kayaçlarda ve deniz tabanındaki tortularda kilitlidir.
3. İklim ısındığında yağmur ve kayaç aşınması hızlanır ve havadan daha çok karbondioksit çekilir; soğuyunca aşınma yavaşlar ve yanardağların saldığı gaz birikir. Böylece sıcaklık uzun vadede dengelenir.
4. Hafif hidrojen uzaya daha kolay kaçtığı için geride kalan suda ağır döteryum zenginleşir; bu, Venüs'ün geçmişte çok daha fazla suya sahip olduğunu ve onu uzaya kaybettiğini gösterir.
5. Küçük gezegen iç ısısını daha çabuk kaybetti; yanardağ etkinliği ve manyetik alanı söndü, zayıf kütleçekimi de havasını tutmayı zorlaştırdı.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Kayalık gezegenlerin kaderini sıvı su ve iç ısı belirledi. Güneş'ten çok uzakta, buzla kaplı küçük dünyalarda ise sıvı su olamayacağını düşünürdük. Oysa Jüpiter ve Satürn'ün bazı uydularında, kalın buz kabuklarının altında okyanuslar saklı olabilir; birinden uzaya su fışkırıyor bile. Güneş'ten bu kadar uzakta bir okyanusu sıvı tutan ısı nereden geliyor?