Waarom Mercurius niet de heetste planeet van het zonnestelsel is

in het grote schema van het zonnestelsel, is de grootste bron van energie veruit de zon. Terwijl radioactiviteit en gravitatiecontractie een aanzienlijke hoeveelheid energie kunnen leveren aan de kernen van massieve planeten, is het licht en de warmte die door onze moederster wordt uitgestraald grotendeels verantwoordelijk voor de oppervlaktetemperatuur van een planeet. Bij benadering houdt de zon niet alleen de aarde, maar alle planeten op een temperatuur die ver boven wat ze zonder zouden zijn: slechts een paar Kelvin. (Zonder externe warmtebron zouden de meeste planetaire temperaturen in evenwicht zijn bij -270 °C / -455 °F.) overdag absorberen de planeten energie van de zon, maar zowel overdag als ‘ s nachts stralen ze energie terug de ruimte in. Dit is de reden waarom temperaturen overdag opwarmen en ’s nachts afkoelen, iets dat zo’ n beetje geldt voor elke planeet die zowel een dag-als een nachtzijde heeft. We verwachten ook seizoenen-koele en warme tijden-gebaseerd op zowel hoe elliptisch de baan van een planeet is als op zijn axiale helling.

maar als de verschillende omloopparameters van een planeet de enige waren die de temperatuur bepaalden, dan zou de dichtstbijzijnde planeet bij de zon onvermijdelijk het heetst zijn, en ze zouden allemaal steeds koeler worden naarmate we verder en verder weg gingen. Misschien zou een gasreus die groot genoeg was om een aanzienlijk deel van zijn eigen warmte te genereren die volgorde veranderen (als Jupiter en Neptunus zouden worden verwisseld, zou dit het geval kunnen zijn), maar in het algemeen zouden we verwachten dat de temperatuur van een planeet zou dalen in verhouding tot de afstand tot de zon. We kunnen deze verwachting controleren door te beginnen bij de binnenste planeet en naar buiten te werken.

Mercurius is heet. Als we kwantitatief zijn, is het eigenlijk extreem heet! Als de planeet die het dichtst bij de zon staat, voltooit hij een baan in slechts 88 aarde-dagen, waarbij hij een maximale temperatuur bereikt gedurende de dag van maar liefst 700 Kelvin (427 °C / 800 °F) op zijn heetste, equatoriale locaties. Mercurius roteert heel langzaam, zodat zijn nachtzijde een aaneengesloten lange tijd in het donker doorbrengt, afgeschermd van de zon; gedurende die tijd komt het neer op slechts 100 Kelvin (-173 °C / -280 °F). Die lage temperatuur is ongelooflijk koud, en veel kouder dan alle bekende natuurlijke temperaturen hier op aarde. Dat is het verhaal van de planeet die het dichtst bij de zon staat: Mercurius.

hoe zit het met de volgende: Venus?

Venus is gemiddeld twee keer zo ver van de zon als Mercurius, en neemt ongeveer 225 aardse dagen in beslag om rond de zon te draaien. Het draait ook nog langzamer dan Mercurius en brengt meer dan 100 opeenvolgende aarde-dagen door in een tijd baadt in zonlicht en vervolgens een gelijke hoeveelheid tijd in duisternis. En toch, als je de temperatuur van Venus meet, is er een verrassing: Venus is altijd dezelfde temperatuur, dag of nacht, met een gemiddelde van 735 Kelvin (462 °C), waardoor het nog heter is dan Mercurius!

deze vreemde gebeurtenis deed meer dan alleen astronomen puzzelen toen ze het voor het eerst ontdekten; het vernederde hen! Venus was niet groot genoeg om zijn eigen warmte te genereren, en toch was het warmer op Venusiaanse middernacht dan op Mercurian high noon. Dit was een observatie die riep om een verklaring, en dus begonnen we contrasteren de twee binnenste planeten.

als je deze twee werelden vergelijkt, zijn er vier grote verschillen. :

1. Mercurius is veel kleiner dan Venus,
2. Mercurius is ongeveer twee keer zo dicht bij de zon als Venus,
3. Mercurius is veel minder reflecterend dan Venus, en
4. Mercurius heeft geen atmosfeer, terwijl Venus een zeer dikke atmosfeer heeft.

wat het absorberen en uitstralen van warmte betreft, blijkt dat grootte niet veel uitmaakt. Planeten absorberen zonlicht op basis van hun dwarsdoorsnede-proportioneel aan hun straal in het kwadraat-en stralen het weg in exact dezelfde verhouding. Als Mercurius twee keer zo groot zou zijn of Venus de helft van zijn grootte zou zijn, zou geen van beide een noemenswaardige temperatuurverandering hebben. Dit verschil is volstrekt irrelevant.

het feit dat Venus bijna twee keer zo ver van de zon is, is echter van groot belang. Elk object dat twee keer zo ver van de zon verwijderd is, ontvangt slechts een kwart van de hoeveelheid zonne-energie per oppervlakte-eenheid, wat betekent dat Mercurius ongeveer vier keer zoveel energie zou moeten ontvangen op elk deel van zijn oppervlak als Venus. Als het licht van de zon zich door de ruimte verspreidt, onderschept een verder verwijderde wereld steeds minder energie. Dit is het grote voordeel van Mercurius, dat bijna vier keer de flux per vierkante meter tegenkomt in vergelijking met Venus. En toch is Venus nog heter, wat ons vertelt dat er iets anders belangrijk aan de hand is met een van de andere twee punten.

hoe reflecterend of absorberend een object gebeurt te zijn staat bekend als zijn albedo, die komt van het Latijnse woord albus, wat wit betekent. Een object met een Albedo (Bond Albedo, voor de geofysici) van 0 is een perfecte absorber, terwijl een object met een albedo van 1 een perfecte reflector is. In werkelijkheid hebben alle fysieke objecten een albedo tussen 0 en 1. De maan, bijvoorbeeld, lijkt een vrij hoge albedo te hebben voor onze ogen, met een witte verschijning zowel overdag als ‘ s nachts.

laat de witte verschijning van de Maan je niet voor de gek houden! De gemiddelde albedo van de maan is slechts ongeveer 0,12, wat betekent dat slechts 12% van het licht dat hem raakt gereflecteerd wordt, terwijl de andere 88% geabsorbeerd wordt. Hoe lager de albedo van een object is, hoe beter het licht absorbeert, wat betekent dat hoe hoger de albedo, hoe minder zonlicht daadwerkelijk wordt geabsorbeerd. Mercurius blijkt te lijken op de Maan op 0,119, terwijl Venus’ albedo veruit de hoogste van alle planetaire lichamen in het zonnestelsel is op 0,90. Mercurius ontvangt dus niet alleen vier keer zoveel energie per oppervlakte-eenheid, het absorbeert bijna negen keer zoveel zonlicht als Venus!

maar als je twee close-up foto ‘ s van de recente transits van Mercurius (vorige maand) en Venus (in 2012) zou zien, zou je merken dat de zon lijkt te “krommen” rond Venus, terwijl er geen dergelijk effect op Mercurius. Dit komt door het vierde en belangrijkste verschil tussen de twee werelden: Mercurius heeft geen atmosfeer, terwijl Venus een zeer dikke heeft.

zie je, Mercurius en Venus absorberen niet alleen licht van de zon; elke planeet straalt dan die energie als warmte terug de ruimte in. Voor airless Mercurius gaat al die warmte onmiddellijk terug de ruimte in. Maar op Venus is het verhaal anders. Elk kwantum van infrarode straling — de opnieuw uitgestraalde warmte — moet door die dikke, dikke atmosfeer komen, wat moeilijk is.

Venus bezit niet alleen een atmosfeer die vele malen zo dik is als die van de aarde, geladen met enorme hoeveelheden infrarood-absorberende gassen zoals kooldioxide, maar het is gehuld in verschrikkelijk dikke lagen van zeer reflecterende wolken. Deze zwavelzuurdamp, die zich meer dan 20 km dik uitstrekt, omcirkelt de planeet met snelheden van 210 tot 370 km/uur, waardoor het overgrote deel van de uitgestraalde warmte wordt opgevangen en over de hele planeet wordt overgebracht. De lange nachten bieden geen ontsnapping aan de hitte, omdat de invallende en thermaliserende effecten van de wolkenlagen het oppervlak van Venus op een onherbergzaam hoge temperatuur houden, zozeer zelfs dat als je de operationele tijd optelt van elke lander die ooit op Venus is geland, het niet eens een halve dag op aarde zou zijn.

maar in de juiste hoeveelheden kan atmosferische warmteafvoer het beste zijn dat een wereld ooit kan overkomen. Zonder de atmosfeer van de aarde zou de gemiddelde temperatuur op onze planeet een schamele 255 Kelvin (-18 °C / -1 °F) zijn, of ongeveer de temperatuur van het Antarctische continent. Het deken-achtige effect van de wolken en atmosferische gassen tillen het klimaat van onze planeet naar de gematigde zone waar het leven-zoals-we-het-kennen al zo lang gedijt. Maar vroeg in de geschiedenis van het zonnestelsel, met een koelere zon en een veel dunnere atmosfeer, was Venus waarschijnlijk vergelijkbaar in temperatuur met de huidige aarde. Het had waarschijnlijk hetzelfde potentieel voor leven en biologische processen, maar een op hol geslagen catastrofe creëerde de permanente inferno dat onze zusterwereld al miljarden jaren bewoond.

hoewel de aarde niet het risico loopt van hetzelfde lot, is Venus zowel de heetste wereld in ons zonnestelsel als een waarschuwend verhaal van een onbeheersbaar broeikaseffect. Naarmate we meer inzicht krijgen in de processen die het klimaat en de temperatuur van de aarde bepalen, is het onze verantwoordelijkheid om onze planeet in de juiste richting te sturen. De link tussen de zon, de atmosfeer en het lot van de planeet wordt overal in ons zonnestelsel geschreven. Het is aan de mensheid om die lessen te leren en te beslissen wat we nu gaan doen.