Mars är en torr plats, och förutom en liten mängd vattenånga i atmosfären existerar allt vatten som is. Men det var inte alltid så här torrt. Bevis på planetens tidigare våta kapitel prickar ytan. Paleolakes som Jezero Crater, som snart kommer att utforskas av NASAs Perseverance Rover, ger skarpa bevis på Mars gamla förflutna. Men vad hände med allt det där vattnet?
Den försvann ut i rymden förstås. Men när? Och hur snabbt?
En ny studie säger att Mars förlorade sin atmosfär och vatten relativt snabbt. Inom en kort tidsperiod, geologiskt sett, försvann allt vatten, med hjälp av dammstormar.
Den nya studiens titel är ' Väteflykt från Mars drivs av säsongs- och dammstormstransport av vatten .” Huvudförfattaren är Shane Stone, en före detta laboratoriekemist som nu är doktorand vid University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory. Uppsatsen publiceras i tidskriften Science.
Denna nya forskning är centrerad på data från NASA MAVEN (Mars Atmosphere och Volatile Evolution) rymdfarkoster. MAVENs jobb är 'att undersöka den övre atmosfären och jonosfären på Mars och hur solvinden avlägsnar flyktiga föreningar från denna atmosfär.' MAVEN har kretsat kring Mars sedan 2014 och dess uppdrag bör pågå till 2030.
'Vi vet att det för miljarder år sedan fanns flytande vatten på ytan av Mars,' sa Stone i en pressmeddelande . 'Det måste ha funnits en tjockare atmosfär, så vi vet att Mars på något sätt förlorade större delen av sin atmosfär till rymden. MAVEN försöker karakterisera de processer som är ansvariga för denna förlust, och en del av det är att förstå exakt hur Mars förlorade sitt vatten.'
Ungefär var 4,5 timme sjunker MAVEN ner i Mars atmosfär och mäter laddade H2O-joner med en spektrometer. Den gör dessa mätningar på cirka 161 km (100 mi) över planetens yta. Den gör också djupare dopp i atmosfären, där den dyker ner till cirka 125 km (77,6 mi) i 20 omlopp åt gången, med varje dopp som varar i fem dagar. På den höjden är atmosfären mycket tätare.
MAVENs uppdragsprofil innebär att den kan göra mätningar genom hela Mars övre atmosfär och på olika breddgrader. Med upprepade mätningar kan forskare beräkna mängden vattenånga i atmosfären.
En konstnärs illustration av NASA:s rymdfarkost MAVEN som kretsar kring Mars. Bild: NASA:s Goddard Space Flight Center
MAVEN hittade en förvånansvärt stor mängd vattenånga i Mars övre atmosfär, där den snabbt avlägsnas. Vattnet och dess förstörelse är en lockande ledtråd till Mars antika historia.
Hubble har tittat på Mars vatten tillsammans med MAVEN, och båda uppdragen har funnit att Mars vattenförlust beror på planetens årstider. När planeten är närmast solen smälter uppvärmningen mer av planetens vattenis. Ångan stiger sedan till den övre atmosfären där den skingras ut i rymden.
I sin studie påpekar författarna att 'En repeterbar säsongsmässig trend förekommer i H2O-förekomsten i den övre atmosfären, som toppar på södra sommaren mellan LS = 250° och 270°...'
Men säsongens uppvärmning är bara en bidragande faktor till förlust av vattenånga.
'Den säsongsbetonade och dammstormsförmedlade leveransen av vatten till den övre atmosfären kunde ha spelat en väsentlig roll i utvecklingen av Marsklimatet från dess varma och våta tillstånd för miljarder år sedan till den kalla och torra planet vi observerar idag.'
Från ”Väteflykt från Mars drivs av säsongsbunden
and dust storm transport of water” av Stone et al, 2020.
Planetens dammcykel bidrar också till vatten- och väteförlust. Stone och de andra forskarna bakom detta arbete fann att dammstormar – både regionala och globala som inträffar ungefär vart tionde år eller så – också värmer upp atmosfären, vilket leder till snabbare vattenförlust.
Specifikt fann de att 'Under den globala dammstormen i juni 2018 ökade det genomsnittliga H2O-blandningsförhållandet med en faktor 2,4, från ett medelvärde på 3,0 till 7,1 ppm under 2 dagar. Vattenmängden fortsatte sedan att öka efter säsongs- och dammstormtrenden och nådde värden >60 ppm vid LS = 204°. Denna händelse inkluderade de högsta ihållande H2O-förekomsterna vi observerade, och höll sig på tiotals ppm i mer än 5 månader i slutet av 2018.'
Dessa resultat motsäger den befintliga modellen för vattenförlust från mars. Enligt den förståelsen sublimeras vattenis till vattenånga och förstörs av solens obehindrade strålning i den lägre atmosfären.
Som författarna förklarar i sin artikel, 'Tidiga studier av H-produktion och undkomma försummad jonosfärisk förstörelse av H2O eftersom H2O antogs vara begränsad till låga höjder av en hygropaus. Senare fann man att hygropausen varierar i höjd med säsong, vilket leder till spekulationer om att H2O-mättnad kanske inte inträffar alls under dammstormar, på grund av förhöjda temperaturer.'
Dessa nya resultat kullkastar en del av den kunskapen.
'Detta är viktigt eftersom vi inte förväntade oss att se något vatten i den övre atmosfären på Mars alls,' sa Stone. 'Om vi jämför Mars med jorden, är vatten på jorden begränsat nära ytan på grund av något som kallas hygropaus. Det är bara ett lager i atmosfären som är tillräckligt kallt för att kondensera (och därför stoppa) all vattenånga som rör sig uppåt.'
Under normala år upplever Mars en stadig ström av vattenånga förlust. Bildkredit: NASA/Stone et al, 2020.
Hygropausen är en av flera 'pauser' i planetariska atmosfärer. I huvudsak är de en region där något förändras. Jordens mest välkända kan vara tropopausen mellan troposfären och stratosfären. I stratosfären ökar temperaturen när man kommer högre, men i troposfären minskar temperaturen med höjden. Tropopausen är regionen mellan de två.
Hygropausen är liknande. Kley et. al. 1979 fann att det på jorden finns en ökning av vattenångans blandningsförhållande med högre höjder genom stratosfären. Men 2 eller 3 km ovanför tropopausen finns det ett absolut minimum av vattenångsblandningsförhållande. De kallade det hygropaus.
Under södra sommaren och under regionala och globala dammstormar accelererar vattenförlusten till rymden. Bildkredit: NASA/Stone et al, 2020.
Hygropausen är i grunden ett kallt område som gör att vattenånga kondenserar och slutar färdas uppåt. Som Stone säger, det ska inte finnas vattenånga ovanför hygropausen. Men det finns, och enligt teamet av forskare, betyder det att Mars hygropaus helt enkelt inte är tillräckligt kall för att tvinga ångan att kondensera.
Eftersom Mars hygropaus är svag, färdas ångan tillräckligt högt in i den övre atmosfären så att jonerna bryts isär mycket snabbt, och de resulterande biprodukterna går förlorade till rymden.
Det finns ett säsongsbetonat element i Mars vattenförlust. Under södra sommaren värms planeten upp och släpper ut mer vattenånga. Både regionala och globala dammstormar är också viktiga drivkrafter för vattenförlust. Bildkredit: NASA/Stone et al, 2020.
'Förlusten av dess atmosfär och vatten till rymden är en viktig anledning till att Mars är kall och torr jämfört med den varma och våta jorden. Dessa nya data från MAVEN avslöjar en process genom vilken denna förlust fortfarande sker idag, säger Stone.
Men hur utspelade sig detta i Mars förflutna? Mars var en gång varm och blöt, kanske vid flera olika tillfällen. Vad säger denna nya kunskap oss om Mars förflutna?
Teamet tog sina fynd och arbetade bakåt en miljard år. De fann att denna vattenförlustmekanism kunde ha svarat för den partiella förlusten av ett globalt hav om Mars verkligen hade en.
'Om vi tog vatten och spred det jämnt över hela Mars yta, skulle det vattenhav som förlorats till rymden på grund av den nya processen vi beskriver vara över 17 tum djupt,' sa Stone. 'Ytterligare 6,7 tum skulle förloras enbart på grund av effekterna av globala dammstormar.'
En konstnärs intryck av det gamla Marshavet. Enligt denna nya forskning gick Mars vatten förlorat till rymden åtminstone delvis på grund av globala och regionala dammstormar. Bild: ESO/M. Kornmesser, via N. Risinger
Globala dammstormar spelar en avgörande roll för vattenförlust. Under en av dessa mammutstormar kan upp till 20 gånger mer vatten transporteras in i den övre atmosfären. Som en pressmeddelande I studien står det att en global dammstorm på 45 dagar kan transportera lika mycket vattenånga till den övre atmosfären som under ett vanligt stormfritt marsår på 687 jorddagar.
Det finns dock begränsningar i denna studie. Teamet kunde inte extrapolera längre tillbaka än en miljard år, eftersom det är osannolikt att hygropausen var densamma för länge sedan. Den var sannolikt starkare, vilket betyder att det var svårare för vattenånga att nå den övre atmosfären.
'Innan processen vi beskriver började fungera måste det redan ha skett en betydande mängd atmosfärisk flykt till rymden,' sa Stone. 'Vi behöver fortfarande fastställa effekterna av den här processen och när den började fungera.'
Stone har ett annat mål i åtanke för liknande atmosfäriska studier. Saturnus måne Titan har sin egen dynamiska atmosfär där organisk kemi är aktiv. Det är också den enda solsystemkroppen förutom jorden med vätska på ytan.
'Titan har en intressant atmosfär där organisk kemi spelar en viktig roll,' sa Stone. 'Som en före detta syntetisk organisk kemist är jag angelägen om att undersöka dessa processer.'
Mer:
- Pressmeddelande: Escape from Mars: How Water Fled the Red Planet
- Publicerad Forskning: Väteflykt från Mars drivs av säsongs- och dammstormstransport av vatten
- Universum idag: NASA kartlägger vattnet på Mars. Vissa kommer att vara så lätta att få att du kan gräva fram med en spade
