Хотя температурная структура тропосферы и стратосферы в атмосферах разных планет имеет много общего, их химический состав сильно различается. Атмосферы Венеры и Марса в основном состоят из углекислого газа, но представляют два крайних примера эволюции атмосферы: у Венеры атмосфера плотная и горячая, а у Марса – холодная и разреженная. Важно понять, придет ли в конце-концов земная атмосфера к одному из этих двух типов, и всегда ли эти три атмосферы были такими разными.

Судьбу исходной воды на планете можно выяснить, измеряя содержание дейтерия по отношению к легкому изотопу водорода: отношение D/H налагает ограничение на количество водорода, покидающего планету. Масса воды в атмосфере Венеры сейчас составляет 10^–5 от массы земных океанов. Но отношение D/H у Венеры раз в 100 выше, чем на Земле. Если вначале это отношение было на Земле и Венере одинаковым и запасы воды на Венере за время ее эволюции не пополнялись, то стократный рост отношения D/H на Венере означает, что когда-то на ней было раз в сто больше воды, чем сейчас. Объяснение этому обычно ищут в рамках теории «парникового улетучивания», которая утверждает, что Венера никогда не была достаточно холодной для конденсации воды на ее поверхности. Если вода всегда заполняла атмосферу в виде пара, то фотодиссоциация молекул воды приводила к выделению водорода, легкий изотоп которого улетучивался из атмосферы в космос, а оставшаяся вода обогащалась дейтерием.

Большой интерес вызывает сильное различие атмосфер Земли и Венеры. Считается, что современные атмосферы планет земного типа образовались в результате дегазации недр; при этом в основном выделялись пары воды и углекислый газ. На Земле вода сосредоточилась в океане, а двуокись углерода оказалась связанной в осадочных породах. Но Венера ближе к Солнцу, там жарко и нет жизни; поэтому углекислый газ остался в атмосфере. Пары воды под действием солнечного света диссоциировали на водород и кислород; водород улетучился в космос (земная атмосфера тоже быстро теряет водород), а кислород оказался связанным в горных породах. Правда, различие этих двух атмосфер может оказаться и более глубоким: до сих пор нет объяснения тому факту, что в атмосфере Венеры значительно больше аргона, чем в атмосфере Земли.

Поверхность Марса представляет сейчас холодную и сухую пустыню. В самое теплое время суток температура может слегка превышать нормальную точку замерзания воды, но низкое атмосферное давление не позволяет воде на поверхности Марса быть в жидком состоянии: лед сразу превращается в пар. Тем не менее, на Марсе есть несколько каньонов, напоминающих русла высохших рек. Некоторые из них, по-видимому, прорыты кратковременными, но катастрофически мощными потоками воды, тогда как другие демонстрируют глубокие овраги и разветвленную сеть долин, что указывает на вероятное длительное существование равнинных рек в ранние периоды истории Марса. Имеются также морфологические указания, что старые кратеры Марса разрушены эрозией значительно сильнее, чем молодые, а это возможно лишь в случае, если атмосфера Марса была гораздо плотнее, чем сейчас.

В начале 1960-х годов считалось, что полярные шапки Марса состоят из водяного льда. Но в 1966 Р.Лейтон и Б.Мюррей рассмотрели тепловой баланс планеты и показали, что двуокись углерода должна в большом количестве конденсироваться на полюсах, а между полярными шапками и атмосферой должен поддерживаться баланс твердой и газообразной углекислоты. Любопытно, что сезонный рост и сокращение полярных шапок приводят к колебаниям давления в марсианской атмосфере на 20% (к примеру, в салонах старых реактивных лайнеров перепады давления при взлете и посадке также составляли около 20%). На космических фотографиях полярных шапок Марса видны удивительные спиральные узоры и ступенчатые террасы, которые должен был исследовать зонд «Марс полар лэндер» (1999), но его постигла неудача при посадке.

Точно не известно, почему давление марсианской атмосферы так сильно понизилось, вероятно, от нескольких бар в первый миллиард лет до 7 мбар сейчас. Не исключено, что выветривание поверхностных пород извлекло двуокись углерода из атмосферы, связав углерод в карбонатных породах, как это произошло на Земле. При температуре поверхности 273 К этот процесс мог уничтожить углекислотную атмосферу Марса с давлением в несколько бар всего за 50 млн. лет; очевидно, оказалось весьма трудно поддерживать теплый и влажный климат на Марсе в течение всей истории Солнечной системы. Подобный процесс также влияет на содержание углерода в земной атмосфере. Около 60 бар углерода связано сейчас в карбонатных породах Земли. Очевидно, в прошлом земная атмосфера содержала значительно больше углекислого газа, чем сейчас, и температура атмосферы была выше. Основное различие эволюции атмосферы Земли и Марса в том, что на Земле тектоника плит поддерживает круговорот углерода, тогда как на Марсе он «заперт» в породах и полярных шапках.

назад   дальше