Forskere søger bedre forståelse af jordens atmosfæriske kemi ved at studere Mars

Langtidsundersøgelser af ozon og vanddamp i Mars atmosfære kan føre til en bedre forståelse af atmosfærisk kemi for Jorden. En ny analyse af data fra ESA's Mars Express-mission har afsløret, at vores viden om, hvordan disse atmosfæriske gasser interagerer med hinanden, er ufuldstændig.

Ved at bruge fire Mars-års observationer fra SPICAM-instrumentet (Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars), hvilket svarer til syv et halvt jordår, et hold forskere fra Europa og Rusland afdækkede hullet i vores viden, da de forsøgte at reproducere deres data med en global klimamodel af Mars.

Ozon og vanddamp er ikke gode atmosfæriske ledsagere. Ozon (O ₃ ) dannes, når molekyler af kuldioxid (CO ₂ ), som udgør 95 % af Mars atmosfære, spaltes af ultraviolet stråling fra Solen. På tur, ozon kan adskilles af molekyler kaldet hydrogenradikaler (HOX), som indeholder et brintatom og et eller flere oxygenatomer. Selve brintradikalerne dannes, når vanddamp adskilles af ultraviolet lys.

På Mars, da kuldioxid er allestedsnærværende, der bør være en global signatur af ozon - medmindre en bestemt region indeholder vanddamp. I den omstændighed, vandet vil blive spaltet til brintradikaler, som vil reagere med ozonmolekylet og trække det fra hinanden.

Dermed, hvor som helst SPICAM opdagede vanddamp, det burde have set et fald i ozon. Jo mere vanddamp, jo mindre ozon. Holdet undersøgte dette omvendte forhold, også kendt som en anti-relation. De fandt ud af, at de kunne reproducere den generelle omvendte natur med en klimamodel, men ikke opnå det præcise forhold. I stedet, for en given mængde vanddamp, modellen producerede kun 50 % af ozonen set i SPICAM-dataene.

"Det tyder på, at effektiviteten af ​​ozonnedbrydning er overvurderet i computersimuleringerne, " siger Franck Lefèvre, af Laboratoire-atmosfæren, miljø, observations spatiales (LATMOS), CNRS/Sorbonne Université, Frankrig, der ledede undersøgelsen.

På nuværende tidspunkt imidlertid, årsagen til denne overvurdering er ikke klar. Det er vigtigt at forstå brintradikalers adfærd på Mars. "Det spiller en nøglerolle i den atmosfæriske kemi på Mars, men også i den globale sammensætning af planeten, siger Franck.

Den kemiske model, der blev brugt i dette arbejde, blev bygget specifikt af Franck og kolleger til at analysere Mars. Den var baseret på en model af en del af Jordens øvre atmosfære; mesosfæren. Her, mellem cirka 40-80 kilometer i højden, kemien og forholdene ligner stort set dem, der findes i Mars atmosfære.

Ja, den uoverensstemmelse, der findes i modellerne, kan have vigtige konsekvenser for den måde, vi simulerer jordens klima på ved hjælp af atmosfæriske modeller. Dette skyldes, at mesosfæren på Jorden indeholder en del af ozonlaget, som vil opleve de samme interaktioner med HOX, som finder sted på Mars.

"HOX kemi er vigtig for den globale ligevægt i Jordens ozonlag, siger Franck.

Så, at forstå, hvad der sker i Mars atmosfære, kunne gavne den præcision, hvormed vi kan udføre klimasimuleringer på Jorden. Og med så mange data nu tilgængelig fra SPICAM, modelleringen har tydeligt vist, at der er noget, vi ikke forstår.

Kan det være skyernes handling?

Da Franck og kolleger introducerede beregninger for den måde, HOX absorberes af de iskolde partikler, der udgør skyerne på Mars, de fandt ud af, at mere ozon overlevede i deres modeller. Dette skyldes, at HOX-molekyler blev absorberet, før de kunne trække ozon fra hinanden. Men dette forklarede kun delvist deres resultater.

"Det virker ikke i alle tilfælde, " siger Franck. Og så søger holdet også andre steder.

Et særligt område for yderligere undersøgelse er måling af reaktionshastigheder ved de lave temperaturer, der findes i Mars-atmosfæren og Jordens mesosfære. På nuværende tidspunkt disse er ikke velkendte, og så kunne det også være skævvridning af modellerne.

Nu hvor det aktuelle arbejde på en kvantitativ måde har belyst, hvor hullerne ligger i vores viden, holdet vil indsamle flere data ved hjælp af andre UV-instrumenter, der opererer på Mars og fortsætte deres undersøgelser og opdatere modellen.

"Med Mars Express, vi har gennemført den længste undersøgelse af Mars atmosfære til dato, uanset mission. Vi startede i 2004, og har nu 17 års data, hvilket har fået os til at se på næsten syv marsår i træk, inklusive fire Mars-år med kombinerede ozon- og vanddampmålinger før UV-kanalen i SPICAM, som målte ozon, ophørte med at fungere i slutningen af ​​2014. Dette er unikt i historien om planetarisk udforskning, " tilføjer Franck Montmessin, også fra LATMOS, og hovedefterforskeren af ​​SPICAM-instrumentet.

Bygger på det ekstraordinære datasæt fra Mars Express, nye resultater kommer nu fra ESA's Trace Gas Orbiter, som har kredset om Mars siden oktober 2016. Den bærer to instrumenter, ACS (Atmospheric Chemistry Suite) og NOMAD (Nadir and Occultation for MARs Discovery), der analyserer Mars-atmosfæren. NASAs Maven-mission bærer også ultraviolet udstyr, der overvåger ozonoverflod. Så, den vitale information, der endelig låser op for dette mysterium, kan komme når som helst.

Den langsigtede overvågning af atmosfæriske parametre og deres variationer af Mars Express giver et unikt datasæt til at studere Mars atmosfære som et komplekst dynamisk system.

"Måske vil lægge alle disse år sammen i sidste ende nøglen til, hvordan HOX'en virkelig styrer atmosfæren på Mars, gavner vores forståelse af planetariske atmosfærer generelt, " siger Franck Montmessin.