Forskere kortlægger Mars globale vindmønstre for første gang

I dag, et papir udgivet i Videnskab dokumenterer for første gang de globale vindcirkulationsmønstre i den øvre atmosfære af en planet, 120 til 300 kilometer over overfladen. Resultaterne er baseret på lokale observationer, snarere end indirekte målinger, i modsætning til mange tidligere målinger taget på Jordens øvre atmosfære. Men det skete ikke på Jorden:det skete på Mars. Oven i købet, alle data kom fra et instrument og et rumfartøj, der ikke oprindeligt var designet til at indsamle vindmålinger.

I 2016 Mehdi Benna og hans kolleger foreslog Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) projektteamet, at de fjernprogrammerede MAVEN-rumfartøjet og dets Natural Gas and Ion Mass Spectrometer (NGIMS) instrument til at lave et unikt eksperiment. De ville se, om dele af instrumentet, der normalt var stationære, kunne "svinge frem og tilbage som en vinduesvisker hurtigt nok, " for at gøre det muligt for værktøjet at indsamle en ny slags data.

I første omgang, MAVEN-projektteamet var tilbageholdende med at implementere de ændringer, Benna og hans kolleger anmodede om. Trods alt, MAVEN og NGIMS havde kredset om Mars siden 2013, og de arbejdede ret godt med at indsamle information om sammensætningen af ​​Mars-atmosfæren. Hvorfor sætte alt det på spil? Benna og hans kolleger hævdede, at dette projekt ville indsamle nye former for data, der kunne forme vores forståelse af den øvre atmosfære på Mars, informere lignende undersøgelser på Jorden, og hjælpe os med bedre at forstå planetarisk klima.

Benna, en planetarisk videnskabsmand, der opererer fra NASA Goddard Space Flight Center med UMBC Center for Space Sciences Technology (CSST), kom på ideen til vinduesvisker, mens han brainstormede, hvordan man kunne skabe et instrument, der kunne indsamle information om globale cirkulationsmønstre i Jordens øvre atmosfære. Det gik op for ham, at sammen, MAVEN og NGIMS kunne gøre det samme på Mars - og de var allerede i rummet.

Med en vis vedholdenhed og en masse foreløbige analyser, Benna og hans kolleger overbeviste MAVEN-missionsledelsen om at prøve deres idé, efter Lockheed Martin, rumfartøjsproducenten, fastslog, at ændringerne kunne være mulige uden at beskadige satellitten. "Det er en smart omkonstruktion under flugten af, hvordan man betjener rumfartøjet og instrumentet, " siger Benna. "Og ved at gøre begge dele - rumfartøjet gør noget, det ikke var designet til, og instrumentet gør noget, det ikke var designet til - gjorde vi vindmålingerne mulige."

Ripple effekt

Det nye papir blev færdiggjort i samarbejde med Yuni Lee, også af UMBC's CSST, og kolleger fra University of Michigan, George Mason University, og NASA. Det er baseret på data indsamlet to dage om måneden i to år fra 2016 til 2018. Nogle resultater var forventet, og andre var store overraskelser. "Det forfriskende er, at de mønstre, vi observerede i den øvre atmosfære, matcher globalt, hvad man ville forudsige ud fra modeller, " siger Benna. "Fysikken virker."

Samlet set, de gennemsnitlige cirkulationsmønstre fra sæson til sæson var meget stabile på Mars. Det er som at sige, at på østkysten af ​​USA, gennem året, vejrsystemer flyder generelt fra vest til øst på en forudsigelig måde.

En overraskelse kom, da holdet analyserede den kortsigtede variabilitet af vinde i den øvre atmosfære, hvilket var større end forventet. "På Mars, den gennemsnitlige cirkulation er stabil, men hvis du tager et øjebliksbillede på et givet tidspunkt, vindene er meget varierende, " siger Benna. Mere arbejde er nødvendigt for at afgøre, hvorfor disse kontrasterende mønstre eksisterer.

En anden overraskelse var, at vinden hundreder af kilometer over planetens overflade stadig indeholdt information om landformer nedenfor, som bjerge, kløfter, og bassiner. Når luftmassen flyder over disse funktioner, "det skaber bølger - krusningseffekter - der strømmer op til den øvre atmosfære" og kan detekteres af MAVEN og NGIMS, Benna forklarer. "På jorden, vi ser den samme slags bølger, men ikke i så høje højder. Det var den store overraskelse, at disse kan gå op til 280 kilometer høje."

Benna og kolleger har to hypoteser for, hvorfor bølgerne, kaldet "ortografiske bølger, "vare så længe uændret. For det første, atmosfæren på Mars er meget tyndere, end den er på jorden, så bølgerne kan rejse længere uhindret, som krusninger, der rejser længere i vand end i melasse. Også, den gennemsnitlige forskel mellem geografiske toppe og dale er meget større på Mars, end den er på Jorden. Det er ikke ualmindeligt, at bjerge er 20 kilometer høje på Mars, hvorimod Mount Everest ikke er helt ni kilometer høj, og de fleste terrestriske bjerge er meget kortere.

"Mars topografi driver dette på en mere udtalt måde, end den er på Jorden, siger Benna.

Fremme

At fortsætte med at analysere dataene fra denne undersøgelse kan hjælpe videnskabsmænd med at finde ud af, om de samme grundlæggende processer er i aktion på Jordens øvre atmosfære. Ironisk, "Vi var nødt til at tage disse målinger på Mars for til sidst at forstå det samme fænomen på Jorden, " siger Benna. "I sidste ende vil resultaterne hjælpe os med at forstå klimaet på Mars. Hvad er dens tilstand, og hvordan udvikler den sig?"

Men holdet er ikke tilfredse med det aktuelle datasæt. "Vi vil blive ved med at måle. Vi har to års data, men vi stopper ikke der, " siger Benna. Selv med det datasæt, de allerede har, "Vi har mange år med modellering og analyser foran os." Det er en mængde information, der kan undersøges på måder, man endnu ikke har forestillet sig, for at lære endnu mere om, hvordan planeter fungerer.