ExoMars får øje på en unik grøn glød på den røde planet

ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter har detekteret glødende grøn ilt i Mars' atmosfære - første gang, at denne emission er blevet set omkring en anden planet end Jorden.

På jorden, glødende ilt produceres under polære nordlys, når energiske elektroner fra det interplanetariske rum rammer den øvre atmosfære. Denne iltdrevne udsendelse af lys giver polære nordlys deres smukke og karakteristiske grønne nuance.

Nordlys, imidlertid, er blot én måde, hvorpå planetariske atmosfærer lyser op. Atmosfæren på planeter inklusive Jorden og Mars lyser konstant både dag og nat, da sollys interagerer med atomer og molekyler i atmosfæren. Dag- og natglød er forårsaget af lidt forskellige mekanismer:natglød opstår, når molekyler, der er brudt fra hinanden, rekombinerer, hvorimod dagsglød opstår, når solens lys direkte exciterer atomer og molekyler som nitrogen og oxygen.

På jorden, grøn natskær er ret svag, og det ses bedst ved at se fra et 'kant på' perspektiv – som portrætteret i mange spektakulære billeder taget af astronauter ombord på den internationale rumstation (ISS). Denne besvimelse kan være et problem, når man er på jagt efter den omkring andre planeter, da deres lyse overflader kan overdøve den.

Denne grønne glød er nu blevet opdaget for første gang på Mars af ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), som har kredset om Mars siden oktober 2016.

"En af de lyseste emissioner set på Jorden stammer fra natteglød. Mere specifikt, fra iltatomer, der udsender en bestemt bølgelængde af lys, som aldrig er set omkring en anden planet, siger Jean-Claude Gérard fra Université de Liège, Belgien, og hovedforfatter af den nye undersøgelse offentliggjort i Natur astronomi .

"Imidlertid, denne emission er blevet forudsagt at eksistere på Mars i omkring 40 år - og, takket være TGO, vi har fundet det."

Jean-Claude og kolleger var i stand til at spotte denne emission ved hjælp af en speciel observationstilstand af TGO. Et af orbiterens avancerede pakke af instrumenter, kendt som NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) og inklusive det ultraviolette og synlige spektrometer (UVIS), kan observere i forskellige konfigurationer, hvoraf den ene placerer sine instrumenter, så de peger direkte ned mod Mars-overfladen - også kaldet 'nadir'-kanalen.

"Tidligere observationer havde ikke fanget nogen form for grønt skær på Mars, så vi besluttede at omorientere UVIS nadir-kanalen til at pege på 'kanten' af Mars, svarende til det perspektiv, du ser på billeder af Jorden taget fra ISS, " tilføjer medforfatter Ann Carine Vandaele fra Institut Royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique, Belgien, og hovedefterforsker af NOMAD.

Mellem 24. april og 1. december 2019, Jean-Claude, Ann Carine og kolleger brugte NOMAD-UVIS til at scanne højder fra 20 til 400 kilometer fra marsoverfladen to gange pr. bane. Da de analyserede disse datasæt, de fandt den grønne iltudledning i dem alle.

"Emissionen var stærkest i en højde på omkring 80 kilometer og varierede afhængigt af den skiftende afstand mellem Mars og solen, " tilføjer Ann Carine.

At studere gløden af ​​planetariske atmosfærer kan give et væld af oplysninger om en atmosfæres sammensætning og dynamik, og afsløre, hvordan energi aflejres af både solens lys og solvinden – strømmen af ​​ladede partikler, der udgår fra vores stjerne.

For bedre at forstå denne grønne glød på Mars, og sammenligne det med det, vi ser omkring vores egen planet, Jean-Claude og kolleger gravede yderligere i, hvordan det blev dannet.

"Vi modellerede denne emission og fandt ud af, at den for det meste produceres som kuldioxid, eller CO ₂ , er opdelt i dets bestanddele:kulilte og ilt, " siger Jean-Claude. "Vi så de resulterende iltatomer gløde i både synligt og ultraviolet lys."

Samtidig sammenligning af disse to former for emission viste, at den synlige emission var 16,5 gange mere intens end den ultraviolette.

"Observationerne på Mars stemmer overens med tidligere teoretiske modeller, men ikke med den faktiske glød, vi har set omkring Jorden, hvor den synlige emission er langt svagere, " tilføjer Jean-Claude. "Dette tyder på, at vi har mere at lære om, hvordan oxygenatomer opfører sig, hvilket er enormt vigtigt for vores forståelse af atom- og kvantefysik."

Denne forståelse er nøglen til at karakterisere planetariske atmosfærer og relaterede fænomener - såsom nordlys. Ved at dechifrere strukturen og adfærden af ​​dette grønne glødende lag af Mars atmosfære, videnskabsmænd kan få indsigt i et højdeområde, der stort set er forblevet uudforsket, og overvåg, hvordan den ændrer sig, når solens aktivitet varierer, og Mars rejser langs sin bane omkring vores stjerne.

"Det er første gang, denne vigtige emission nogensinde er blevet observeret omkring en anden planet uden for Jorden, og markerer den første videnskabelige publikation baseret på observationer fra UVIS-kanalen af ​​NOMAD-instrumentet på ExoMars Trace Gas Orbiter, " fremhæver Håkan Svedhem, ESA's TGO Project Scientist.

"Det demonstrerer den bemærkelsesværdigt høje følsomhed og optiske kvalitet af NOMAD-instrumentet. Dette gælder især i betragtning af, at denne undersøgelse udforskede Mars' dagside, som er meget lysere end natten, hvilket gør det endnu sværere at få øje på denne svage emission."

At forstå egenskaberne ved Mars atmosfære er ikke kun interessant videnskabeligt, men er også nøglen til at udføre de missioner, vi sender til den røde planet. Atmosfærisk tæthed, for eksempel, påvirker direkte luftmodstanden, der opleves af satellitter i kredsløb og af faldskærme, der bruges til at levere sonder til Mars-overfladen.

"Denne type fjernmålingsobservation, kombineret med in situ målinger i højere højder, hjælper os med at forudsige, hvordan Mars-atmosfæren vil reagere på sæsonbestemte ændringer og variationer i solaktivitet, " tilføjer Håkan. "Forudsigelse af ændringer i atmosfærisk tæthed er især vigtigt for kommende missioner, inklusive ExoMars 2022-missionen, der vil sende en rover- og overfladevidenskabsplatform for at udforske overfladen af ​​den røde planet."