Waarom sommige planeten hun atmosfeer kwijtraken en andere niet
Waarom heeft Venus een verstikkend dikke atmosfeer, terwijl Mars nauwelijks een luchtlaag heeft? En waarom lijkt de lucht om de aarde weer anders dan beide? Een deel van het antwoord ligt mogelijk in hoe vaak en hoe hard planeten in hun jeugd tegen elkaar botsten.
Planeten ontstaan niet rustig. In de eerste miljoenen jaren van een zonnestelsel knallen kleinere planeetachtige objecten, zogeheten planetaire embryo's, voortdurend tegen elkaar aan. Zulke klappen kunnen een deel van de atmosfeer van een planeet de ruimte in slingeren. Ook onze eigen maan ontstond waarschijnlijk uit zo'n gigantische botsing, miljarden jaren geleden tegen de jonge aarde.
Een team van onderzoekers wilde precies weten hoeveel atmosfeer zo'n inslag wegvaagt. Ze gebruikten computersimulaties die de botsing deeltje voor deeltje natekenen, een techniek die bekendstaat als smoothed particle hydrodynamics. Daarmee bootsten ze botsingen na op planeten met verschillende hoeveelheden atmosfeer, van heel dun (1 procent van de planeetmassa) tot behoorlijk dik (20 procent).
Dunne atmosferen zijn kwetsbaarder
De uitkomst is opvallend: een dunne atmosfeer met een lage luchtdruk gaat veel makkelijker verloren bij een inslag dan een dikke atmosfeer. Bestaande rekenmethodes hielden hier onvoldoende rekening mee en onderschatten daardoor vaak hoeveel lucht een planeet kwijtraakt. De onderzoekers maakten een nieuwe rekenformule die wel goed rekening houdt met de dikte van de atmosfeer, en die werkt voor allerlei soorten botsingen: van kleine ruwe brokken gesteente tot grote planeten die bijna zo zwaar zijn als de aarde of nog zwaarder.
Toen de onderzoekers deze nieuwe formule gebruikten in simulaties van hoe ons zonnestelsel is ontstaan, bleek dat planeten veel meer atmosfeer verliezen dan eerder gedacht. Planeten lichter dan ongeveer 0,6 keer de massa van de aarde raken vaak een groot deel van hun lucht kwijt. Zelfs planeten die qua gewicht op de aarde lijken, verliezen door meerdere opeenvolgende botsingen tussen de 30 en 100 procent van hun atmosfeer.
Voor de aarde zelf is dat extra interessant. Bij de inslag die vermoedelijk de maan vormde, had de aarde mogelijk een atmosfeer met een druk van ongeveer 100 bar, dat is honderd keer de huidige luchtdruk op aarde. Afhankelijk van hoe die botsing precies verliep, kan de aarde daarbij tussen de 20 en 80 procent van die atmosfeer hebben verloren.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is één onderzoek, gebaseerd op computersimulaties, geen direct bewijs uit metingen op andere planeten. De cijfers over hoeveel atmosfeer de aarde precies verloor, blijven daarom een schatting met een flinke marge. Ook is dit nog geen verklaring voor elk verschil tussen planeten, maar wel een belangrijk stuk van de puzzel.
Het grotere inzicht is dat toeval een grote rol speelt. Welke planeet een dikke of dunne atmosfeer overhoudt, hangt niet alleen af van waar hij ontstaat, maar ook van de willekeurige klappen die hij tijdens zijn vorming te verduren krijgt. Dat kan verklaren waarom planeten die verder vergelijkbaar zijn, soms totaal verschillende luchtlagen hebben, zowel in ons zonnestelsel als bij planeten rond andere sterren.