Även om jordiska forskare studerar Mars intensivt, är det fortfarande en mystisk plats.
En av de slående sakerna med Mars är alla bevis, tydligt synliga på dess yta, att den hyser flytande vatten. Nu är allt det vattnet borta, och i själva verket kunde flytande vatten inte överleva på den röda planetens yta. Inte som planeten är nu i alla fall.
Men det kunde hysa vatten tidigare. Vad hände?
Mars har bara en tunn atmosfär nu, och den atmosfären är inte tillräckligt tjock för att upprätthålla vatten nu. Så det måste ha haft en tjockare, varmare atmosfär tidigare. Och den atmosfären kunde bara ha bestått om Mars också hade en skyddande magnetosfär.
Astronomer är ganska säkra på att Mars förlorade sin magnetosfär för cirka 4 miljarder år sedan. Och utan en skyddande magnetosfär som jorden har, hade stjärnvinden från solen fri tillgång till Mars och tog helt enkelt bort dess atmosfär, förlorad till rymden för alltid.
Och när det väl hände var Mars dömd. Vattnet och atmosfären försvann och Mars blev kall och torr.
Jordens magnetosfär skapas av en dynamo i planetens kärna; en roterande och konvektiv klump av smält järn och nickel. Mars måste också ha haft en. Det är det enda sättet den kunde ha genererat en skyddande magnetosfär för att skydda den från solen. Men Mars är mindre än jorden, och efter dess bildande kyldes planeten snabbare än jorden gjorde. När den väl svalnade förlorade den sin kärndynamo av järn/nickel, sedan sin atmosfär och sedan sitt vatten. Stackars Mars.
Men Mars har fortfarande ett magnetfält, om än ett svagt, och NASAs MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) rymdfarkoster har kartlagt det. Istället för ett globalt dynamomagnetfält som jordens, har Mars nu ett inducerad magnetosfär .
En bild från en animering av Mars magnetfält som interagerar med stjärnvinden. Medan jorden har en skyddande global dynamomagnetosfär, är Mars en mycket svagare inducerad magnetosfär. Bildkredit: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS
MAVEN anlände till Mars och gick i omloppsbana runt planeten i september 2014. Fem års data från uppdraget har lett till en ny karta över Mars svaga magnetfält. Forskare använder den här kartan för att förstå Mars historia och hur den förlorade sin atmosfär.
En ny artikel presenterar dessa fynd i tidskriften Nature Astronomy. Tidningen heter ' De globala strömsystemen i den Mars-inducerade magnetosfären .” Huvudförfattare är Robin Ramstad vid University of Colorado, Boulder.
'Dessa strömmar spelar en grundläggande roll i den atmosfäriska förlust som förvandlade Mars från en värld som kunde ha försörjt liv till en ogästvänlig öken', säger huvudförfattaren Ramstad i en pressmeddelande . 'Vi arbetar nu med att använda strömmarna för att bestämma den exakta mängden energi som dras från solvinden och driver atmosfärisk flykt.'
Mars-inducerad magnetisk har en annan orsak än en som skapas av en dynamo i en planets centrum. Det orsakas av elektromagnetisk interaktion mellan solvinden, som är en magnetiserad strömmande plasma, och den icke-magnetiserade planeten själv. Strömmarna som produceras av den interaktionen ger ledtrådar 'till solvindens roll i att driva uppvärmningen, flykten och utvecklingen av planetariska atmosfärer', enligt tidningsförfattarna.
Jordens magnetfält är ganska väl förstått och har studerats i årtionden. Men inducerade fält som Mars är det inte. Denna femåriga studie av MAVEN är den mest djupgående studien hittills.
Magnetiska filade linjer på Mars, vänster, vs jorden, höger. Det är tydligt vilket magnetfält som skyddar sin planet bättre. Bildkredit: L: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS. Höger: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1712490
Solvinden är en ström av laddade partiklar som slår in i allt runt solen i nästan en miljon miles per timme, eller 1,6 miljoner kilometer i timmen. Det interagerar med allt i solsystemet. Vinden i sig är magnetiserad, så den har faktiskt svårt att penetrera den övre atmosfären på den icke-magnetiserade Mars. Istället skapar det strömmar i jonosfären. Det stärker faktiskt magnetfältet och producerar den inducerade magnetosfären. Det är först nu, tack vare denna studie, som forskare förstår hur allt detta fungerar.
När jonerna och elektronerna i solvinden kolliderar med detta inducerade magnetfält, riktas en del av jonerna att flöda åt ena hållet, och några av elektronerna riktas åt motsatt håll. Det bildar elektriska strömmar, och de färdas runt planeten, från dag till natt.
Samtidigt träffar solens röntgenstrålning och ultraviolett strålning Mars övre atmosfär och joniserar en del av den hela tiden. Det förvandlar en del av den övre atmosfären till elektroner och elektriskt laddade joner som leder elektricitet.
En bild från tidningen som visar de formativa strömsystemen i den Mars-inducerade magnetosfären. Generatorströmmar färgas blå medan lastströmmar är färgade röda. Bildkredit: Ramstad et al, 2020.
Huvudförfattaren Ramstad beskriver det så här: 'Mars atmosfär beter sig lite som en metallsfär som stänger en elektrisk krets. Strömmarna flyter i den övre atmosfären, med de starkaste strömskikten kvar på 120-200 kilometer (cirka 75-125 miles) över planetens yta.'
MAVEN, och andra uppdrag, har sett lokala antydningar om dessa nuvarande lager tidigare. Men det är först nu, efter fem år, som forskare har kunnat kartlägga hela kretsen, från dess generering i solvinden, till där den elektriska energin deponeras i den övre atmosfären.
Den här bilden är från en vetenskaplig visualisering av de elektriska strömmarna runt Mars. Elektriska strömmar (blå och röda pilar) omsluter Mars i en inkapslad dubbelslinga struktur som lindar kontinuerligt runt planeten från dess dagsida till dess nattsida. Dessa strömslingor förvränger solvindens magnetfält (ej på bilden), som draperar runt Mars för att skapa en inducerad magnetosfär runt planeten. I processen kopplar strömmarna elektriskt samman Mars övre atmosfär och den inducerade magnetosfären till solvinden, och överför elektrisk och magnetisk energi som genereras vid gränsen för den inducerade magnetosfären (svag inre paraboloid) och vid solvindens bågchock (svag yttre paraboloid). ). Medverkande: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr
Det är utomordentligt svårt att 'se' dessa elektriska strömmar i rymden. Men ett av MAVENs instrument är en känslig magnetometer. Även om den inte kan se de elektriska strömmarna, har den skapat en 3D-karta över magnetfältslinjer runt Mars. Forskare kunde sedan kartlägga strömmarna på förvrängningarna i fältlinjerna.
'Med en enda elegant operation kommer styrkan och banorna för strömmarna att dyka upp från den här kartan över magnetfältet,' sa Ramstad.
Resultatet är en mer detaljerad förståelse av exakt hur solen avlägsnade Mars från sin atmosfär. När det globala dynamomagnetfältet var borta bildade solvinden en direkt koppling till Mars övre atmosfär och skapade elektriska strömmar. Dessa strömmar drev sedan laddade partiklar i atmosfären ut i rymden.
Författarna till tidningen säger att andra planeter utan magnetosfärer sannolikt har samma inducerade fält, åtminstone på en toppnivå.
Venus har ett inducerat magnetfält som Mars, även om vår kunskap om det inte är lika detaljerad som vår kunskap om Mars. Författarna till denna studie säger att det är troligt att de är lika, åtminstone i stora termer. Bildkredit: Av Venusian_magnetosphere.jpg: Ruslik0-derivatarbete: Alexparent (talk) – Venusian_magnetosphere.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6435191
'De nuvarande systemen i den Mars-inducerade magnetosfären drivs övervägande av ett magnetosfäriskt konvektivt elektriskt fält', skriver författarna. 'Dessa resultat representerar den typiska konfigurationen på Mars och, till första ordningen, representerar de förmodligen också konvektionsdrivna inducerade magnetosfärer i allmänhet. Denna konfiguration är dock inte den enda möjliga konfigurationen för inducerade magnetosfärer.'
Denna process av atmosfärisk förlust började någon gång för cirka 4 miljarder år sedan, när Mars förlorade sitt magnetfält. Och det händer än idag.
