Mars ionosfære formet af jordskorpemagnetiske felter

Spredte lommer af magnetisme hen over Mars overflade har en betydelig indflydelse på planetens øvre atmosfære, ifølge observationer fra ESAs Mars Express. At forstå disse effekter kan være afgørende for at sikre sikker radiokommunikation mellem Mars og Jorden og, til sidst, mellem opdagelsesrejsende på planetens overflade.

Jordens magnetfelt er domineret af en enkelt, stærk kilde:dynamoen dybt under planetens overflade. Imidlertid, det samme kan ikke siges om Mars. I stedet for at have en enkelt kilde til magnetfelt, Mars har mange.

Den røde planet har adskillige lommer af stærk magnetisme indespærret i sin skorpe, rester fra dens tidligste dage. Moderne Mars kan være kendt for sin relative mangel på magnetisme, men unge Mars var sandsynligvis en anden verden; det var sikkert varmere og vådere, med en tættere atmosfære og en varmere kerne. Forskere mener, at den unge planet også havde et betydeligt magnetfelt, drevet af den cirkulerende bevægelse af smeltet materiale i dets kerne (kendt som en planetdynamo).

Dette globale felt slukkede for længe siden - sandsynligvis da kernen afkølede og størknede, fryser dynamoen på plads – men planeten kan stadig prale af unormale pletter af stærk restmagnetisme spredt ud over dens overflade, kendt som 'skorpefelter'.

Magnetiske minder om tidlig Mars

Dele af Mars' skorpe og sten forbliver magnetiseret i dag på grund af et fænomen kendt som 'ferro-magnetisme', som varer selv når det eksterne magnetfelt ikke længere er til stede (som det er tilfældet med Mars).

Mars' skorpe afkøles til under en bestemt temperatur - kendt som Curie-temperaturen - da planetens kernedynamo, og dermed dets magnetfelt, stadig var aktiv og til stede, forårsager resterende magnetisme til at blive permanent låst i jernholdigt (jernholdigt) materiale i skorpen. Lignende jordskorpemagnetiske felter findes også på Jorden og Månen.

Disse felter kan senere fjernes ved at genopvarme materiale til over Curie-temperaturen – via store påvirkninger, for eksempel – og så lade det køle af igen i mangel af et magnetfelt.

Magnetisme menes at være blevet udslettet fra store pletter af Mars skorpen på denne måde, men store dele af det sydlige, og mindre dele af det nordlige, halvkugle af Mars forbliver magnetiseret til en vis grad, med lommer spredt over hele planeten. Disse jordskorpefelter er stærke nok til at drive træk i Mars' øvre atmosfære svarende til nordlys set på Jorden – sådanne træk er blevet set af ESA's Mars Express).

"De kan være svage med hensyn til absolut styrke - hundredvis af nanotesla i den øvre atmosfære i gennemsnit, eller mellem 0,1 og 1 procent af feltstyrken produceret af Jordens dynamo i den tilsvarende højde – men Mars' skorpefelter er betydeligt stærkere end dem, der findes på Jorden eller Månen, " siger Markus Fraenz fra Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland. "Dette indikerer, at Mars' dynamofelt engang var mindst lige så stærkt som Jordens - men for at producere så stærke pletter af rester af skorpemagnetisering, det var sandsynligvis stærkere end vores planets nogensinde har været."

Desværre har ingen lander eller rover endnu nået disse steder med kraftig magnetisering, men omfattende observationer fra langlivede orbitere som NASAs Mars Global Surveyor og ESAs Mars Express har hjulpet videnskabsmænd med at karakterisere Mars' magnetiske miljø.

Mars Express har været i kredsløb om Mars siden 2003, og har gennemført adskillige undersøgelser ved hjælp af sine MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) og ASPERA-3 (Analyzer of Space Plasmas and Energetic Atoms) instrumenter til at udforske, hvilken effekt disse jordskorpefelter har på Mars' ionosfære.

"Mars' skorpefelter ser ud til at kontrollere plasmaet i planetens øvre atmosfære stærkt, " siger David Andrews fra Swedish Institute of Space Physics i Uppsala. Mere specifikt, de påvirker et lag af svagt ioniseret gas kendt som ionosfæren, som sidder klemt inde mellem størstedelen af ​​Mars neutrale atmosfære og den intense stråling fra det ydre rum (inklusive solvinden, en strøm af ladede partikler – protoner og elektroner – der kommer fra Solen).

Klatrende plasma i Mars' ionosfære

Mars' ionosfære ligner jordens i mange henseender, såsom de typiske tætheder, højder, og så videre. "Jordens ionosfære er en smule mere kompleks med hensyn til dens struktur, og har et større antal adskilte lag, " siger Andrews. "Dette skyldes delvist, at Jordens atmosfære er en blanding af nitrogen og oxygen, i modsætning til den CO2-dominerede atmosfære på mars."

Mars' skorpefelter påvirker bevægelsen og dynamikken i dets ionosfæriske plasma, påvirke hvordan det cirkulerer, akkumuleres, og flygter ud i rummet. For eksempel, plasma svæver til langt højere højder end forventet i områder med vertikalt orienterede jordskorpefelter, og områder med stærkere skorpefelter toppes af tættere og mere omfattende lag af ionosfære end svagere eller fraværende felter.

Mars' ionosfære sidder på grænsen mellem Mars' lavere atmosfære og solvinden, som flyder ud i rummet fra Solen. Solvinden trækker også solens magnetfelt ud i solsystemet, mens den bevæger sig, skabe det interplanetariske magnetfelt (IMF).

Når den slæbes ind i Mars' nærhed, IMF-feltlinjer kan forbindes med feltlinjerne, der udgår fra nogle områder af Mars' skorpe (en proces kendt som 'magnetisk genforbindelse'). Denne proces tillader plasma at løbe opad langs de nyskabte linjer og flygte til rummet, skabe smalle hulrum i Mars' ionosfære, der forholdsvis mangler elektroner.

"Det store spørgsmål, imidlertid, er hvorvidt disse jordskorpefelter påvirker den hastighed, hvormed Mars mister sin atmosfære til rummet, og i så fald, hvordan, " siger Andrews. "Det er sandsynligt, at mens plasma omkonfigureres i områder, hvor feltet er stærkt, de langsigtede gennemsnit af atmosfærisk flugt er ikke massivt forskellige - men vi er usikre."

Fra dag til nat

Ionosfærens adfærd og egenskaber adskiller sig mellem den region, der er nærmest Solen ('dagsiden', mellem Mars og Solen) og den der strækker sig væk fra den ('natsiden', hale væk fra Mars mod det ydre solsystem).

Mars Express-data har vist, at dagside-ionosfæren er overraskende kompleks og variabel, med elektrontætheder og strukturerede lag af plasma, der ændrer sig brat og inkonsekvent. Satellitten har også markeret, hvor meget der er at forstå om natsiden, og hvorfor nogle af dens egenskaber adskiller sig betydeligt fra dagen.

Processen med plasmaudslip via magnetisk genforbindelse, for eksempel, er særligt effektiv ved dag-nat-grænsen (regionerne omkring denne grænse, eller terminator, kaldes nogle gange 'morgen' og 'aften' eller 'daggry' og 'skumring'). Tilsvarende ionosfæren på dagsiden er både tættere og strækker sig til højere højder over skorpeanomalier end på natsiden. Plasma ser også ud til at strømme mod Mars om dagen, og væk ved dag-nat-grænsen.

Generelt, antallet og tætheden af ​​elektroner i ionosfæren stiger med feltstyrken i løbet af dagen og ved grænsen mellem dag og nat - men på natsiden, det modsatte er sandt. Mars' natside ionosfære er pletvis; det genopfyldes af noget af plasmaet fra ionosfæren på dagen, og ved at udfælde elektroner fra solvinden og magnetosfæren (det område af rummet, over hvilket Mars' lille indre magnetfelt dominerer).

"Alt dette forstærker ideen om, at Mars' plasmamiljø er stærkt påvirket af både niveauerne af indkommende solstråling, og styrken og fordelingen af ​​planetens jordskorpefelter, " siger Eduard Dubinin fra Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland. "Vi er nødt til at forstå meget mere om disse interaktioner og om Mars' ionosfære generelt for at male et detaljeret billede af Mars' langsigtede udvikling med hensyn til klima, beboelighed, tab af vand og atmosfære, og mere."

Problemer med Red Planet radio?

Ud over at danne en bedre videnskabelig forståelse af Mars som en planet, at vide mere om Mars ionosfære og jordskorpefelter er afgørende for missioner i øjeblikket på Mars, og for dem, der er planlagt i fremtiden (herunder bemandede missioner).

For eksempel, ionosfæren dikterer hvordan, hvornår, og hvor Mars Express' radarudstyr (MARSIS) kan fungere. Mars' dagside-ionosfære er tættere og mere reflekterende for radiobølger. MARSIS kan således sondere Mars' ionosfære på dagen, da plasmaet der reflekterer indkommende radarimpulser ved de passende frekvenser (~MHz). På natsiden, imidlertid, MARSIS udfører underjordisk sondering. Instrumentets radiobølger når gennem den forholdsvis sparsomme ionosfære og kan nå langt længere, før de reflekteres, når Mars' overflade og op til omkring 10 km under.

"MARSIS kan udnytte ionosfærens forskellige egenskaber, hvilket gør det til et fantastisk instrument til at sondere både ionosfæren og undergrunden af ​​Mars, " siger Dmitri Titov, projektforsker for ESA's Mars Express.

Variabiliteten af ​​Mars ionosfæren kunne være et problem, imidlertid, for enhver kommunikation på Mars' overflade.

Landere og rovere på Mars kommunikerer med Jorden via en orbiter, som igen bruger høje nok radiofrekvenser (GHz) til at ionosfæren ikke er en kæmpe hindring. Imidlertid, dette kan blive et større problem, hvis og når mennesker sætter foden på planeten.

"Kortbølget radiokommunikation (MHz) på overfladen kan blive påvirket af variationen af ​​Mars' ionosfære, især omkring stærkere skorpefelter, og vores forståelse her er stadig ufuldstændig, " tilføjer Titov. "Det er nøglen at forstå mere om Mars' magnetiske og plasmamiljø. Fund som disse fra Mars Express er afgørende for vores fortsatte udforskning af solsystemet, enten med robotter eller menneskelige besætninger."