Mars vandtab formet af årstider og storme

Mars har mistet det meste af sit engang rigelige vand, med små mængder tilbage i planetens atmosfære. ESAs Mars Express afslører nu mere om, hvor dette vand er blevet af, viser, at dens flugt til rummet accelereres af støvstorme og planetens nærhed til Solen, og antyder, at noget vand kan have trukket sig tilbage under jorden.

Selvom det er tørt i dag, Mars var sandsynligvis engang en vanddækket verden som vores egen. Bevis på dette ses i billeder af store, oversvømmelsesformede udstrømningskanaler, floddale og deltaer skåret ind i planetens overflade, samt i radarobservationer af reservoirer med flydende vand, der er låst inde under isen og støvet på Mars' sydpol.

Vand kan nu kun eksistere på Mars i form af is eller gas på grund af det lave atmosfæriske tryk på planeten, hvilket er mindre end 1 % af Jorden. Mars har mistet meget af sit tidligere vand til rummet i løbet af de sidste par milliarder år, og siver stadig vand fra atmosfæren i dag.

To nye undersøgelser, ledet af Anna Fedorova fra Rumforskningsinstituttet ved Det Russiske Videnskabsakademi og Jean-Yves Chaufray fra Laboratoire Atmospheres Observations Spatiales, Frankrig, klargør nu, hvordan vand bevæger sig igennem og forlader Mars' atmosfære. De afslører, at denne proces er påvirket af planetens afstand fra Solen og ændringer i dens klima og vejr, inklusive de massive globale støvstorme, der ofte ses på planeten.

Begge undersøgelser brugte omfattende, flerårige datasæt opnået af orbiterens SPICAM-instrument (Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars).

"Atmosfæren er bindeleddet mellem overflade og rum, og så har meget at fortælle os om, hvordan Mars har mistet sit vand, " siger Anna. "Vi studerede vanddampen i atmosfæren fra jorden op til 100 km i højden, en region, der endnu ikke var blevet udforsket, over otte marsår."

Anna og kolleger fandt ud af, at vanddamp forblev begrænset til under 60 km, når Mars var langt fra Solen, men strakte sig op til 90 km i højden, når Mars var tættest på Solen. På tværs af en fuld bane, afstanden mellem Solen og den røde planet varierer fra 207 millioner til 249 millioner km.

Tæt på solen, de varmere temperaturer og mere intensiv cirkulation i atmosfæren forhindrede vand i at fryse ud i en vis højde. "Derefter, den øvre atmosfære bliver fugtet og mættet med vand, forklarer, hvorfor vandudslip øges i løbet af denne sæson – vand transporteres højere, hjælper dens flugt ud i rummet, " tilføjer Anna.

I år, hvor Mars oplevede en global støvstorm, blev den øvre atmosfære endnu vådere, akkumulerer overskydende vand i højder på over 80 km.

"Dette bekræfter, at støvstorme, som er kendt for at opvarme og forstyrre Mars atmosfære, også levere vand til store højder, " siger Anna. "Takket være Mars Express' kontinuerlige overvågning, vi var i stand til at analysere de sidste to globale støvstorme, i 2007 og 2018, og sammenligne det, vi fandt, med stormfrie år for at identificere, hvordan stormene påvirkede vandets flugt fra Mars."

Dette fund understøttes af forskning ledet af Jean-Yves, som modellerede tætheden af ​​brintatomer i Mars' øvre atmosfære i løbet af to år og undersøgte, hvordan dette relateret til vandflugt.

"Vi sammenlignede vores resultater med SPICAM-data og fandt god overensstemmelse - undtagen i den støvede sæson, da vores model undervurderede, hvor meget brint der var til stede, " siger Jean-Yves. "Langt mere vand slipper ud gennem atmosfæren under forstyrrede forhold, end modellen forudsagde."

Gennem to Mars-år, hvoraf den ene oplevede en støvstorm, Jean-Yves og kolleger vurderede, at hastigheden af ​​vandtab varierede med en faktor på omkring 100, fremhæver den betydelige effekt, som støvstorme kan have på Mars' vandtabshastigheder.

Resultaterne viser, at Mars mister, hvad der svarer til et globalt to meter dybt lag vand hver milliard år. Imidlertid, endda akkumuleret over Mars' fire milliarder år lange historie, denne mængde er utilstrækkelig til at forklare, hvor alt Mars vand er blevet af.

"En betydelig mængde må engang have eksisteret på planeten for at forklare de vandskabte funktioner, vi ser, " siger Jean-Yves. "Da det hele ikke er gået tabt til rummet, vores resultater tyder på, at enten er dette vand flyttet under jorden, eller at vandudslip var langt højere tidligere."

Resultaterne fra Anna, Jean-Yves og kolleger supplerer de seneste resultater fra ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), hvilken, siden 2018 og sammen med Mars Express, har overvåget vandets fordeling efter højde i Mars atmosfære. Disse resultater tydede på, at Mars' vandtabshastighed kan være forbundet med sæsonbestemte ændringer.

Mars Express' arbejde med at bestemme Mars' vandtab understøttes også af NASAs MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) mission, som systematisk måler den kemiske sammensætning af Mars-atmosfæren (specifikt, niveauerne af atomart brint og deuterium, en tung isotop af brint). Sådanne multimissionsdata vil hjælpe med at begrænse ikke kun, hvordan vand i øjeblikket opfører sig, men også det kumulative vandtab gennem Mars historie - afgørende for at finde ud af, om Mars' vand er gået under jorden eller til rummet.

"To nøgletemaer i vores igangværende udforskning af Mars er planetens udvikling og vandtab, og støvstormenes rolle i at forme Mars klima og atmosfære, " siger Dmitrij Titov, ESA's Mars Express-projektforsker.

"Disse resultater hjælper os med at forstå de langsigtede processer bag Mars' vandtab og male et billede af ikke kun dens nuværende klimatologi, men hvordan dets klima har ændret sig gennem historien. Til sådanne undersøgelser har vi brug for den slags datasæt af høj kvalitet leveret af SPICAM og også instrumenterne ombord på ExoMars' TGO. Sammen, disse og andre avancerede missioner vil fortsætte med at afsløre Mars mysterier."

Mars Express blev opsendt den 2. juni 2003, og har brugt over 17 år i kredsløb om Mars med omhyggeligt at overvåge egenskaberne af planetens atmosfære.