För ungefär 4 miljarder år sedan såg Mars mycket annorlunda ut än den gör idag. Till att börja med var dess atmosfär tjockare och varmare, och flytande vatten rann över dess yta. Detta inkluderade floder, stående sjöar och till och med ett djupt hav som täckte stora delar av det norra halvklotet. Bevis på detta varma, vattniga förflutna har bevarats över hela planeten i form av sjöbottnar, floddalar och floddeltat.
Under en tid har forskare försökt svara på en enkel fråga: var tog allt det vattnet vägen? Flydde den ut i rymden efter att Mars förlorat sin atmosfär, eller drog sig tillbaka någonstans? Enligt ny forskning från Caltech och NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) gick mellan 30 % och 90 % av Mars vatten under jorden. Dessa fynd motsäger den allmänt accepterade teorin att Mars förlorat sitt vatten till rymden under loppet av eoner.
Forskningen leddes av Eva Scheller, doktor. kandidat vid California Institute of Technology (Caltech). Hon fick sällskap av Caltech Prof. Bethany Ehlmann, som också är biträdande direktör för Keck Institute for Space Studies ; Caltech Prof. Yuk Yung, senior forskare vid NASA JPL; Caltech doktorand Danica Adams; och JPL-forskaren Renyu Hu.
Konstnärens intryck av strömmande vatten på Mars. Kredit: Kevin M. Gill
Under de senaste två decennierna har NASA och andra rymdorganisationer skickat över ett dussin robotutforskare till den röda planeten för att karakterisera dess geologi, klimat, yta, atmosfär och evolution. I processen fick de veta att Mars en gång hade tillräckligt med vatten på sin yta för att täcka hela planeten i ett hav mellan 100 och 1 500 meter (330 till 4920 fot) på djupet - en volym som motsvarar hälften av Atlanten.
För 3 miljarder år sedan hade Mars ytvatten försvunnit och landskapet blev som det är idag (frysande kallt och uttorkat). Med tanke på hur mycket vatten som en gång rann där, undrade forskarna hur det kunde ha försvunnit så grundligt. Fram till nyligen, teoretiserade forskare att atmosfärisk flykt var nyckeln, där vatten är kemiskt disassocierat och sedan förlorat till rymden.
Denna process är känd som fotodissociation, där exponering för solstrålning bryter ner vattenmolekyler till väte och syre. Vid denna tidpunkt, säger teorin, gjorde Mars låga gravitation det möjligt att avlägsna den från atmosfären av solvinden. Även om denna mekanism säkerligen har spelat en roll, har forskare kommit fram till att den inte kan stå för majoriteten av Mars förlorade vatten.
Konstnärens koncept som skildrar den tidiga marsmiljön (höger) kontra den kalla, torra miljön som ses på Mars idag (vänster). Bildkredit: NASA:s Goddard Space Flight Center
För sin studies skull analyserade teamet data från Mars-meteoriter, rover- och orbiteruppdrag för att bestämma hur förhållandet mellan deuterium och väte (D/H) förändrades över tiden. De analyserade också sammansättningen av Mars atmosfär och skorpa idag, vilket gjorde det möjligt för dem att sätta begränsningar för hur mycket vatten som fanns på Mars över tiden.
Deuterium (aka. 'tungt vatten') är en stabil isotop av väte som har både en proton och neutron i sin kärna, medan normalt väte (protium) består av en enda proton som kretsar kring en elektron. Denna tyngre isotop står för en liten del av väte i det kända universum (cirka 0,02%) och har svårare att ta sig loss från en planets gravitation och fly ut i rymden.
På grund av detta skulle förlusten av en planets vatten till rymden lämna en tydlig signatur i atmosfären i form av en högre än normalt nivå av deuterium. Detta är dock oförenligt med det observerade förhållandet mellan deuterium och protium i Mars atmosfär, varför Scheller och hennes kollegor föreslår att mycket av vattnet absorberades av mineraler i planetens skorpa. Som Ehlmann förklarade i en ny Caltech nyhetssläpp :
'Atmosfärisk flykt hade helt klart en roll i vattenförlusten, men fynd från det senaste decenniet av Mars-uppdrag har pekat på det faktum att det fanns denna enorma reservoar av gamla hydratiserade mineraler vars bildning säkerligen minskade vattentillgången över tiden.'
Jezero Crater på Mars är landningsplatsen för NASA:s Mars 2020-rover. Bildkredit: NASA/JPL-Caltech/ASU
På jorden vittrar strömmande vatten stenar för att bilda leror och vattenhaltiga mineraler, som innehåller vatten som en del av sin mineralstruktur. Eftersom jorden är tektoniskt aktiv, cirkulerar hydratiserade mineraler oändligt mellan manteln och atmosfären (genom vulkanism). Leror och hydrerade mineraler har också hittats på Mars, en indikation på att vatten en gång strömmade dit.
Men eftersom Mars är tektoniskt inaktivt (för det mesta) sattes dess ytvatten tidigt upp och cyklades aldrig ut igen. Således bevarades de egenskaper som indikerar den tidigare förekomsten av vatten genom permanent torkning av ytan. Under tiden bevarades en betydande del av det vattnet genom att absorberas under ytan.
Denna studie tar inte bara upp frågan om hur Mars vatten försvann för miljarder år sedan. Det kan också vara goda nyheter för framtida besättningsuppdrag till Mars, som kommer att bero på lokalt skördad is och vatten. Tidigare samarbetade medförfattarna Ehlmann, Huh och Yung om forskning som spårade kolets historia på Mars – eftersom koldioxid är huvudbeståndsdelen i Mars atmosfär.
I framtiden planerar teamet att fortsätta analysera isotop- och mineralsammansättningsdata för att avgöra vad som blev av kväve- och svavelhaltiga mineraler på Mars. Dessutom planerar Scheller att utöka sin forskning om vad som blev av Mars vatten genom att utföra laboratorieexperiment som simulerar vittringsprocesser på mars och genom observationer av den antika skorpan i Jezero-kratern (där Uthållighet utforskar för närvarande).
Konstnärens intryck av Perseverance-rovern på Mars. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Scheller och Ehlmann är också planerade att hjälpa till med verksamhetenUthållighetrover när det är dags för den att samla sten- och borrprover. Dessa kommer att återföras till jorden genom ett efterföljande NASA-ESA-uppdrag, där forskare kommer att kunna undersöka dem. För Scheller, Ehlmann och deras kollegor kommer detta att tillåta dem att testa sina teorier om klimatförändringar på Mars och vad som driver dem.
Studien som beskriver deras resultat dök nyligen upp i tidskriftenVetenskap, med titeln ' Långvarig torkning av Mars orsakad av lagring av vattenvolymer i havsskala i skorpan ” och presenterades den 16 marsthunder Lunar and Planetary Science Conference (LPSC). På grund av covid-restriktioner var årets konferens virtuell och ägde rum från den 15 marsthtill 19th.
Forskningen möjliggjordes med stöd från NASA Habitable Worlds pris, a NASA Earth and Space Science Fellowship (NESSF) utmärkelse och en NASA framtidsutredare inom NASA Earth and Space Science and Technology (FINESST) utmärkelse.
Vidare läsning: Caltech , Caltech författare