Utæt atmosfære knyttet til letvægtsplanet

Den røde planets lave tyngdekraft og mangel på magnetfelt gør dens yderste atmosfære til et let mål at blive fejet væk af solvinden, men nye beviser fra ESAs Mars Express-rumfartøj viser, at Solens stråling kan spille en overraskende rolle i dens flugt.

Hvorfor atmosfæren på klippeplaneterne i det indre solsystem udviklede sig så forskelligt over 4,6 milliarder år er nøglen til at forstå, hvad der gør en planet beboelig. Mens Jorden er en livsrig vandverden, vores mindre nabo Mars mistede meget af sin atmosfære tidligt i sin historie, forvandling fra et varmt og vådt miljø til de kolde og tørre sletter, som vi observerer i dag. Derimod Jordens anden nabo Venus, som selvom den er ugæstfri i dag er sammenlignelig i størrelse med vores egen planet, og har en tæt atmosfære.

En måde, der ofte menes at hjælpe med at beskytte en planets atmosfære, er gennem et internt genereret magnetfelt, som på Jorden. Det magnetiske felt afbøjer ladede partikler fra solvinden, når de strømmer væk fra Solen, udskærer en beskyttende 'boble' – magnetosfæren – rundt om planeten.

På Mars og Venus, som ikke genererer et indre magnetfelt, den største hindring for solvinden er den øvre atmosfære, eller ionosfæren. Ligesom på jorden, ultraviolet solstråling adskiller elektroner fra atomer og molekyler i denne region, skabe et område med elektrisk ladet – ioniseret – gas:ionosfæren. På Mars og Venus interagerer dette ioniserede lag direkte med solvinden og dens magnetfelt for at skabe en induceret magnetosfære, som virker til at bremse og aflede solvinden rundt om planeten.

I 14 år, ESA's Mars Express har kigget på ladede ioner, såsom ilt og kuldioxid, flyder ud i rummet for bedre at forstå den hastighed, hvormed atmosfæren undslipper planeten.

Undersøgelsen har afsløret en overraskende effekt, hvor Solens ultraviolette stråling spiller en vigtigere rolle end hidtil antaget.

"Vi plejede at tro, at ionundslippen opstår på grund af en effektiv overførsel af solvindenergien gennem Mars-induceret magnetisk barriere til ionosfæren, siger Robin Ramstad fra Swedish Institute of Space Physics, og hovedforfatter af Mars Express-undersøgelsen.

"Måske kontra-intuitivt, Det, vi faktisk ser, er, at den øgede ionproduktion, der udløses af ultraviolet solstråling, beskytter planetens atmosfære mod den energi, som solvinden bærer, men der kræves faktisk meget lidt energi for at ionerne kan undslippe af sig selv, på grund af den lave tyngdekraft, der binder atmosfæren til Mars."

Den ioniserende natur af Solens stråling viser sig at producere flere ioner, end der kan fjernes af solvinden. Selvom den øgede ionproduktion er med til at skærme den nedre atmosfære fra den energi, som solvinden bærer, opvarmningen af ​​elektronerne ser ud til at være tilstrækkelig til at trække ioner med under alle forhold, skabe en 'polarvind'. Mars' svage tyngdekraft - omkring en tredjedel af Jordens - betyder, at planeten ikke kan holde på disse ioner, og at de let flygter ud i rummet, uanset den ekstra energi, der leveres af en kraftig solvind.

Ved Venus, hvor tyngdekraften ligner Jordens, Der kræves meget mere energi for at strippe atmosfæren på denne måde, og ioner, der forlader solsiden, vil sandsynligvis falde tilbage mod planeten på læsiden, medmindre de accelereres yderligere.

"Vi konkluderer derfor, at i dag, ionudslip fra Mars er primært produktionsbegrænset, og ikke energibegrænset, der henviser til, at den ved Venus sandsynligvis er energibegrænset i betragtning af den større planets højere tyngdekraft og høje ioniseringshastighed, være tættere på solen, " tilføjer Robin.

"Med andre ord, solvinden havde sandsynligvis kun en meget lille direkte effekt på mængden af ​​Mars atmosfære, der er gået tabt over tid, og snarere kun øger accelerationen af ​​allerede undslippende partikler."

"Kontinuerlig overvågning af Mars siden 2004, som dækkede ændringen i solaktivitet fra solminimum til maksimum, giver os et stort datasæt, der er afgørende for at forstå den langsigtede adfærd af en planets atmosfære og dens interaktion med Solen, " siger Dmitri Titov, ESA's Mars Express Project Scientist. "Samarbejde med NASAs MAVEN-mission, som har været på Mars siden 2014, giver os også mulighed for at studere de atmosfæriske flugtprocesser mere detaljeret."

Undersøgelsen har også betydning for søgningen efter jordlignende atmosfærer andre steder i universet.

"Måske er et magnetfelt ikke så vigtigt til at afskærme en planets atmosfære som selve planetens tyngdekraft, som definerer, hvor godt det kan hænge på sine atmosfæriske partikler, efter at de er blevet ioniseret af solens stråling, uanset solvindens kraft, " tilføjer Dmitri.