金星和火星，能够提供很多关于地球未来的情景
有一个行星存在一种浓重的有毒大气，一行星乎没有任何气氛，而另一个行星正适合生命的繁荣昌盛，但并不总是这样的。我们的两个邻居金星和火星的大气层可以教会我们很多关于我们星球过去和未来的情景。
回到现在46亿年前的行星建筑场，我们看到所有的行星都有一个共同的历史：它们都是从同一个旋转的气体和尘埃云中诞生的，新生的太阳在中心点亮。在地心引力的帮助下，灰尘缓慢而稳定地堆积成巨石，最终滚雪球般地变成行星大小的实体。
岩石材料可以承受离太阳最近的热量，而含气的冰材料只能在更远的地方存活，这分别导致了最里面的类地行星和最外面的气体巨星和冰巨星。剩下的东西形成了小行星和彗星。
岩石行星的大气层是作为非常有活力的建筑过程的一部分形成的，主要是在冷却过程中释放出气体，一些小的贡献来自火山爆发，还有彗星和小行星少量的水、气体和其他成分的输送。随着时间的推移，大气经历了强大的演变，这要归功于一系列复杂的因素，这些因素最终导致了目前的状况，地球是唯一已知的支持生命的行星，也是目前唯一一个表面有液态水的行星。
我们从欧空局的金星快车(2006年至2014年间观测金星)和火星快车(2003年以来对这颗红色行星进行调查)等太空任务中了解到，液态水也曾在我们的姐妹行星上流动。虽然金星上的水早已蒸发殆尽，但在火星上，它要么被埋在地下，要么被锁在冰盖里。与水的故事密切相关的是一个行星大气层的状态，并最终与生命是否可能出现在地球之外这一重大问题密切相关。与此相关的是大气和海洋以及地球内部岩石之间的相互作用和物质交换。
行星循环
回到我们新形成的行星上，从一团熔融的岩石和一个围绕着稠密核心的地幔中，它们开始冷却下来。地球、金星和火星在这些早期都经历了放气活动，形成了第一个年轻、炎热和稠密的大气。随着这些大气也冷却了，降雨形成了第一个海洋。
然而，在某一阶段，这三颗行星的地质活动特征出现了分歧。地球的实心盖子裂开成板块，有些地方在俯冲带中潜入另一块板块之下，另一些地方碰撞形成巨大的山脉，或分开形成巨大的裂谷或新的地壳。今天，地球的构造板块仍在移动，在它们的边界引起火山爆发或地震。
金星，它只比地球小一点，今天可能仍然有火山活动，而且它的表面似乎在5亿年前似乎重新被熔岩覆盖。今天，它没有明显的板块构造系统，它的火山很可能是由通过地幔上升的热柱驱动的，这一过程可以比作“熔岩灯(装有可上下流动和变形的彩色油状物)”，但规模很大。
火星中心及其上下边缘的长垂直图像
火星小得多，冷却得比地球和金星更快，当它的火山灭绝时，它失去了补充大气层的关键手段。但它仍然拥有整个太阳系中最大的火山，25公里高的奥林匹斯山，很可能也是从下面升起的火山柱不断垂直地形成地壳的结果。尽管有证据表明在过去的1000万年内有构造活动，即使是在现在偶尔发生的大地震，火星也不被认为有类似地球的构造系统。
使地球与众不同的不仅仅是全球板块构造，还包括与海洋的独特结合。今天，我们的海洋，覆盖了地球表面的三分之二，吸收和储存了我们星球的大部分热量，沿着气流在全球传输。当一个构造板块被拖入地幔时，它会升温并释放出被困在岩石中的水和气体，这些水和气体反过来又通过海底的热液喷口渗出。
在地球海洋底部的这种环境中，人们发现了极其顽强的生命形式，提供了生命可能是如何开始的线索，并给科学家提供了在太阳系其他地方寻找的线索：木星的卫星欧罗巴，或土星的冰冷的卫星土卫二，它们将液态水隐藏在它们的冰壳下面，卡西尼号等太空任务的证据表明，可能存在热液活动。
此外，板块构造有助于调节我们的大气，在长时间尺度上调节我们星球上的二氧化碳含量。当大气中的二氧化碳与水结合时，就会形成碳酸，进而溶解岩石。雨水将碳酸和钙带到海洋中，二氧化碳也直接溶解在海洋中，二氧化碳被循环回海底。在地球历史的几乎一半时间里，大气层中所含的氧气很少。海洋蓝细菌是第一个利用太阳能量将二氧化碳转化为氧气的细菌，这是一个转折点，它为大气提供了更深入的途径，使复杂的生命得以繁衍。如果没有地幔、海洋和大气之间的行星循环和调节，地球可能会更像金星。
极端温室效应
金星有时被称为地球的邪恶孪生兄弟，因为它的大小几乎相同，但却被厚厚的有毒大气和470摄氏度（878华氏度）的高温表面所困扰。它的高压和高温足以熔化铅，并摧毁敢于在上面着陆的航天器。由于其稠密的大气层，它甚至比水星还要热，而水星的轨道离太阳更近。它与类似地球的环境的巨大偏差经常被用来说明失控的温室效应中所发生的情况。
太阳系的主要热源是太阳的能量，太阳的能量使行星的表面变暖，然后行星将能量辐射回太空。大气层吸收一些输出的能量，保持热量，这就是所谓的温室效应。这是一种有助于调节行星温度的自然现象。如果不是水蒸气、二氧化碳、甲烷和臭氧等温室气体，地球表面温度将比目前15摄氏度的平均温度低15摄氏度左右。
在过去的几个世纪里，人类改变了地球上的这种自然平衡，通过向空气中排放更多的二氧化碳以及氮氧化物、硫酸盐和其他微量气体、灰尘和烟雾颗粒，加强了自工业活动开始以来的温室效应。对我们星球的长期影响包括全球变暖、酸雨和臭氧层耗竭。气候变暖的后果是深远的，可能影响淡水资源、全球粮食生产和海平面，并引发极端天气事件的增加。
金星上没有人类活动，但研究金星的大气层为更好地理解失控的温室效应提供了一个自然的实验室。在其历史上的某一时刻，金星开始积聚过多的热量。它曾经被认为是像地球一样的海洋，但是增加的热量把水变成了蒸汽，反过来，大气中的额外的水蒸气捕获了越来越多的热量，直到整个海洋完全蒸发。金星快车甚至显示，今天水蒸气仍在从金星的大气层逃逸到太空。
金星快车还在这颗行星的大气层中发现了一层神秘的高空二氧化硫。预计火山喷发会产生二氧化硫。在飞行任务期间，金星快车记录了大气中二氧化硫含量的巨大变化。这将导致在大约50-70公里的高度产生硫酸云和水滴，任何剩余的二氧化硫都应会被强烈的太阳辐射摧毁。因此，金星快车在大约100公里的地方发现了一层气体，这是令人惊讶的。实验结果表明，蒸发硫酸会产生游离的气态硫酸，然后被阳光分解，释放出二氧化硫气体。
这次观测进一步讨论了如果向地球大气中注入大量二氧化硫可能会发生的情况，这是一项关于如何减轻气候变化对地球的影响的建议。1991年菲律宾皮纳图博火山爆发证明了这一概念，当时喷发出来的二氧化硫在大约20公里的高度产生了小滴浓硫酸，就像在金星云中发现的那样。这产生了一层薄雾，并在全球范围内将我们的星球冷却了约0.5摄氏度达数年之久。由于这种薄雾反映了热量，因此有人提出，降低全球温度的一种方法是人为地向我们的大气中注入大量的二氧化硫。然而，皮纳图博山的自然效果只提供了暂时的冷却效果。研究金星上巨大的硫酸云滴提供了一种研究长期影响的自然方法。最初高空的保护性薄雾最终会转化为气态硫酸，这是透明的，可以让所有太阳光线通过。更别提酸雨的副作用了，它对地球上的土壤、植物生命和水都会造成有害的影响。
非常大的地球磁层（蓝色），金星和火星周围只有很小的磁层（橙色）
全球冻结
我们的另一个邻居，火星，处于另一个极端：虽然它的大气也主要是二氧化碳，但今天它几乎没有任何二氧化碳，总的大气体积不到地球的1%。
火星现有的大气层非常稀薄，虽然二氧化碳凝结成云，但它不能从太阳那里保留足够的能量来维持地表水，它会在表面瞬间蒸发。但是，由于它的低压和相对温和的温度，从冬季极地的-133摄氏度到夏季的27摄氏度，航天器不会在它的表面融化，从而让我们更容易揭示它的秘密。此外，由于火星上缺乏再循环的板块构造，探索火星表面的漫游者可以直接接触到40亿年前的岩石。与此同时，我们的轨道飞行器，包括火星快车，已经对这个星球进行了超过15年的调查，不断地发现它曾经流动的水、海洋和湖泊的证据，这给人们带来了一种诱人的希望，即它可能曾经支持过生命。
这颗红色行星一开始也会有较厚的大气层，这要归功于来自小行星和彗星的挥发物的释放，以及随着火星内部岩石冷却而释放出的火山气体。很可能是因为它的质量较小和重力较低，所以它就不能保持住它的大气层。此外，它最初的较高温度会给大气中的气体分子提供更多的能量，使它们更容易逃逸。而且，在其历史早期也失去了它的磁场，剩下的大气层随后暴露在太阳风中--一种来自太阳的带电粒子的持续流动，就像在金星上一样，即使到了今天，这种气流仍在不断地剥离大气层。
随着大气层的减少，地表水向地下移动，只有在撞击加热地面并释放出地下水和冰时，才会释放出巨大的山洪。它也被锁在极地的冰盖里。火星快车最近还发现了一个埋在距地表2公里范围内的液态水。生命的证据也会在地下吗？这个问题是欧洲ExoMARS探测器的核心，该探测器计划于2020年发射并于2021年着陆，在地表下以下2米的地方钻取和分析样本，以寻找生物标记物。
火星目前被认为是从冰河时代出来的。与地球一样，火星对各种因素的变化也很敏感，例如在绕太阳运行时其自转轴的倾斜。人们认为，随着行星的轴向倾斜及其与太阳的距离发生周期性变化，火星表面的水的稳定性在数千至数百万年间发生了变化。目前正在从轨道上调查这颗红色行星的ExoMARS跟踪气体轨道器，最近在赤道地区检测到了水合物质，这些物质可能代表了过去火星两极的位置。
跟踪气体轨道器的主要任务是对火星的大气层进行精确的调查，这些气体只占地球大气总量的不到1%。特别令人感兴趣的是甲烷，在地球上，甲烷主要是由生物活动产生的，也是由自然和地质过程产生的。火星快车此前曾报道过甲烷的迹象，后来美国宇航局在火星表面的“好奇号”探测器也曾报道过甲烷的迹象，但跟踪气体轨道器的高灵敏度仪器到目前为止已经报告了这种气体的普遍缺失，这加深了这一谜团。为了证实不同的结果，科学家们不仅在研究甲烷是如何产生的，而且正在研究甲烷在接近地表的地方是如何被破坏的。然而，并不是所有的生命形式都会产生甲烷，带着地下钻孔的漫游者将有望告诉我们更多信息。当然，对这颗红色行星的持续探索将帮助我们理解火星的可居住性潜力随时间的变化是如何以及为什么会发生变化的。
火星上干涸的河谷网络
进一步探索
尽管从相同的成分开始，地球的邻居们遭受了毁灭性的气候灾难，他们的水不能长久保持。金星变得太热，火星变得太冷；只有地球变成了条件恰到好处的“金发”行星。在之前的冰河时代，我们是不是已经接近火星的样子了？我们离困扰金星的失控的温室效应有多近？了解这些行星的演化和它们的大气层的作用对于理解我们星球上的气候变化是非常重要的，因为归根结底，同样的物理定律支配着所有的事物。从我们的轨道航天器返回的数据提供了自然提醒，气候稳定不是理所当然的。
无论如何，在很长的一段时间内（几十亿年后的将来）温室地球是在老化的太阳手中的一个不可避免的结果。曾经赋予生命的恒星最终将膨胀并变亮，向地球脆弱的系统注入足够的热量，使我们的海洋沸腾，使金星一样的道路前进。
火星和金星的大气层可以教会我们很多关于地球过去和未来的情景。