Kredit:ESA; rumfartøj:ATG/medialab; data:O. Korablev et al (2019)
Nye beviser på virkningen af den nylige planetomfattende støvstorm på vand i atmosfæren, og en overraskende mangel på metan, er blandt de videnskabelige højdepunkter i ExoMars Trace Gas Orbiters første år i kredsløb.
To artikler er publiceret i tidsskriftet Natur i dag beskriver de nye resultater, og rapporteret i en dedikeret pressebriefing på European Geosciences Union i Wien.
Et tredje blad, indsendt til Proceedings af det russiske videnskabsakademi , præsenterer det mest detaljerede kort, der nogensinde er fremstillet over vandis eller hydrerede mineraler i Mars' lavvandede undergrund.
Den fælles ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter, eller TGO, ankom til den røde planet i oktober 2016, og brugte mere end et år på at bruge den aerobremsningsteknik, der er nødvendig for at nå dens to-timers videnskabelige bane, 400 km over Mars overflade.
"Vi er glade for de første resultater fra Trace Gas Orbiter, siger Håkan Svedhem, ESA's TGO-projektforsker.
"Vores instrumenter præsterer ekstremt godt og leverede allerede inden for de første par måneders observation udsøgte data til et meget højere niveau end tidligere opnået."
TGO's vigtigste videnskabelige mission begyndte i slutningen af april 2018, blot et par måneder før starten på den globale støvstorm, der i sidste ende ville føre til døden af NASA's Opportunity-rover efter 15 år på vej over Mars-overfladen.
Rumfartøjer i kredsløb, imidlertid, var i stand til at lave unikke observationer, med TGO, der følger stormens begyndelse og udvikling og overvåger, hvordan stigningen i støv påvirkede vanddampen i atmosfæren – vigtigt for at forstå historien om vandet på Mars over tid.
Udnytter støvstormen
Første resultater fra ExoMars Trace Gas Orbiter. Kredit:ESA; rumfartøj:ESA/ATG medialab
To spektrometre ombord – NOMAD og ACS – foretog de første højopløselige solokkultationsmålinger af atmosfæren, ser på hvordan sollys absorberes i atmosfæren for at afsløre de kemiske fingeraftryk af dets ingredienser.
Dette muliggjorde den vertikale fordeling af vanddamp og 'halvtungt' vand – med ét brintatom erstattet af et deuteriumatom, en form for brint med en ekstra neutron – der skal plottes fra tæt på Mars-overfladen til over 80 km højde. De nye resultater sporer støvets indflydelse på vandet i atmosfæren, sammen med udslip af brintatomer ud i rummet.
"På de nordlige breddegrader så vi funktioner som støvskyer i højder på omkring 25-40 km, som ikke var der før, og på sydlige breddegrader så vi støvlag flytte til højere højder, " siger Ann Carine Vandaele, hovedefterforsker af NOMAD-instrumentet ved Royal Belgian Institute for Space Aeronomy.
"Forbedringen af vanddamp i atmosfæren skete bemærkelsesværdigt hurtigt, over blot et par dage under stormens begyndelse, hvilket indikerer en hurtig reaktion fra atmosfæren på støvstormen."
Observationerne stemmer overens med globale cirkulationsmodeller. Støv absorberer solens stråling, opvarmer den omgivende gas og får den til at udvide sig, til gengæld omfordele andre ingredienser – som vand – over et bredere lodret område. En højere temperaturkontrast mellem ækvatoriale og polære områder er også sat op, styrkelse af atmosfærisk cirkulation. På samme tid, takket være de højere temperaturer, Der dannes færre van-isskyer – normalt ville de begrænse vanddamp til lavere højder.
Holdene foretog også den første observation af halvtungt vand samtidig med vanddamp, leverer nøgleoplysninger om de processer, der styrer mængden af brint- og deuteriumatomer, der undslipper til rummet. Det betyder også, at deuterium-til-hydrogen (D/H)-forholdet kan udledes, som er en vigtig markør for udviklingen af vandopgørelsen på Mars.
"Vi ser, at vand, deutereret eller ej, er meget følsom over for tilstedeværelsen af isskyer, forhindrer det i at nå atmosfæriske lag højere oppe. Under stormen, vand nåede meget højere højder, " siger Ann Carine."Dette var teoretisk forudsagt af modeller i lang tid, men det er første gang, vi har været i stand til at observere det."
TGO ser udviklingen af støvstormen på Mars. Kredit:European Space Agency
Da D/H-forholdet forventes at ændre sig med sæsonen og med breddegraden, TGO's fortsatte regionale og sæsonbestemte målinger forventes at give yderligere bevis på de processer, der er i spil.
Metan-mysterie-plottet bliver tykkere
De to komplementære instrumenter startede også deres målinger af sporgasser i Mars atmosfære. Sporgasser optager mindre end én volumenprocent af atmosfæren, og kræver meget præcise måleteknikker for at bestemme deres nøjagtige kemiske fingeraftryk i sammensætningen. Tilstedeværelsen af sporgasser måles typisk i 'parts per billion by volume' (ppbv), så for eksempel for Jordens metanbeholdning, der måler 1800 ppbv, for hver milliard molekyler, 1800 er metan.
Metan er af særlig interesse for Mars-forskere, fordi det kan være en signatur på livet, såvel som geologiske processer – på Jorden, for eksempel, 95 % af metan i atmosfæren kommer fra biologiske processer. Fordi det kan ødelægges af solstråling på tidsskalaer på flere hundrede år, enhver påvisning af molekylet i nutiden indebærer, at det må være blevet frigivet relativt for nylig - også selvom metanen i sig selv blev produceret for millioner eller milliarder af år siden og forblev fanget i underjordiske reservoirer indtil nu. Ud over, sporgasser blandes effektivt på daglig basis tæt på planetens overflade, med globale vindcirkulationsmodeller, der dikterer, at metan ville blive blandet jævnt rundt om planeten inden for få måneder.
Rapporter om metan i Mars-atmosfæren er blevet intenst diskuteret, fordi påvisninger har været meget sporadiske i tid og sted, og faldt ofte på grænsen af instrumenternes detektionsgrænser. ESA's Mars Express bidrog med en af de første målinger fra kredsløb i 2004, på det tidspunkt, hvilket indikerer tilstedeværelsen af methan svarende til 10 ppbv.
Jordbaserede teleskoper har også rapporteret både ikke-detekteringer og transiente målinger op til omkring 45 ppbv, mens NASAs Curiosity rover, udforsket Gale Crater siden 2012, har foreslået et baggrundsniveau af metan, der varierer med årstiderne mellem omkring 0,2 og 0,7 ppbv - med nogle højere niveauer. For nylig, Mars Express observerede en metanspids en dag efter en af Curiositys højeste målinger.
De nye resultater fra TGO giver den mest detaljerede globale analyse endnu, at finde en øvre grænse på 0,05 ppbv, det er, 10-100 gange mindre metan end alle tidligere rapporterede påvisninger. Den mest præcise detektionsgrænse på 0,012 ppbv blev opnået i 3 km højde.
Som en øvre grænse, 0,05 ppbv svarer stadig til op til 500 tons metan, der udsendes over en 300 års forventet levetid for molekylet, når man betragter atmosfæriske ødelæggelsesprocesser alene, men spredt over hele atmosfæren, dette er ekstremt lavt.
Nøglemålinger af metan på Mars. Kredit:European Space Agency
"Vi har smukke, høj nøjagtige datasporingssignaler fra vand inden for det område, hvor vi ville forvente at se metan, men alligevel kan vi kun rapportere en beskeden øvre grænse, der tyder på et globalt fravær af metan, " siger ACS hovedforsker Oleg Korablev fra Space Research Institute, Russiske Videnskabsakademi, Moskva.
"TGO'ens højpræcisionsmålinger ser ud til at være i modstrid med tidligere påvisninger; for at forene de forskellige datasæt og matche den hurtige overgang fra tidligere rapporterede faner til de tilsyneladende meget lave baggrundsniveauer, vi skal finde en metode, der effektivt ødelægger metan tæt på planetens overflade."
"Ligesom spørgsmålet om tilstedeværelsen af metan, og hvor det kan komme fra, har forårsaget så megen debat, så spørgsmålet om, hvor det går hen, og hvor hurtigt det kan forsvinde, er lige så interessant, siger Håkan.
"Vi har ikke alle brikkerne i puslespillet eller ser det fulde billede endnu, men det er derfor vi er der med TGO, lave en detaljeret analyse af atmosfæren med de bedste instrumenter, vi har, for bedre at forstå, hvor aktiv denne planet er - uanset om det er geologisk eller biologisk."
Bedste kort over lavt undergrundsvand
Mens den livlige debat om arten og tilstedeværelsen af metan fortsætter, en sikker ting er, at vand engang eksisterede på Mars - og stadig gør det i form af vandis, eller som vandhydrerede mineraler. Og hvor der var vand, der kunne have været liv.
For at hjælpe med at forstå vandets placering og historie på Mars, TGOs neutrondetektor FREND kortlægger fordelingen af brint i den øverste meter af planetens overflade. Hydrogen indicates the presence of water, being one of the constituents of the water molecule; it can also indicate water absorbed into the surface, or minerals that were formed in the presence of water.
The instrument's mapping task will take about one Mars year – almost two Earth years – to produce the best statistics to generate the highest quality map. But the first maps presented based on just a few month's data already exceed the resolution of previous measurements.
TGO’s first map of shallow subsurface water distribution on Mars. Kredit:European Space Agency
"In just 131 days the instrument had already produced a map that has a higher resolution than that of the 16 years data from its predecessor onboard NASA's Mars Odyssey – and it is set to continue getting better, " says Igor Mitrofanov, principal investigator of the FREND instrument at the Space Research Institute, Russiske Videnskabsakademi, Moscow.
Aside from the obviously water-rich permafrost of the polar regions, the new map provides more refined details of localised 'wet' and 'dry' regions. It also highlights water-rich materials in equatorial regions that may signify the presence of water-rich permafrost in present times, or the former locations of the planet's poles in the past.
"The data is continually improving and we will eventually have what will become the reference data for mapping shallow subsurface water-rich materials on Mars, crucial for understanding the overall evolution of Mars and where all the present water is now, " adds Igor. "It is important for the science on Mars, and it is also valuable for future Mars exploration."
"We have already been enjoying beautiful images and stereo views of Mars thanks to the TGO's imaging system and now we are delighted to share the first look at data from the other instruments, " concludes Håkan.
"We have a promising future in contributing to the many fascinating aspects of Mars science, from the distribution of subsurface water, to active surface processes and to the mysteries of the martian atmosphere."