Mars var en gång i tiden en mycket våt planet, vilket framgår av de geologiska kännetecknen på dess yta. Forskarna vet att under de senaste 3 miljarder åren har åtminstone en del vatten försvunnit djupt ner i jorden, men vad hände med resten? Nu hjälper NASA:s rymdteleskop Hubble och MAVEN-uppdragen (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) till att lösa det mysteriet.
”Det finns bara två ställen dit vatten kan ta vägen. Det kan frysa ner i marken, eller så kan vattenmolekylen brytas upp i atomer, och atomerna kan fly från atmosfärens topp ut i rymden”, förklarar studiens ledare John Clarke vid Center for Space Physics vid Boston University i Massachusetts. ”För att förstå hur mycket vatten det fanns och vad som hände med det måste vi förstå hur atomerna försvinner ut i rymden.”
Clarke och hans team kombinerade data från Hubble och MAVEN för att mäta antalet väteatomer som flyr ut i rymden och deras nuvarande flykthastighet. Denna information gjorde det möjligt för dem att extrapolera flykthastigheten bakåt i tiden för att förstå vattnets historia på den röda planeten.
Deras studie publiceras i tidskriften Science Advances.
Mars var en gång en mycket våt planet. Forskarna vet att under de senaste 3 miljarder åren har en del av vattnet försvunnit under jorden, men vad hände med resten? Kredit: NASA:s Goddard Space Flight Center; Huvudproducent: Paul Morris; Mars Animations Producer: Dan Gallagher
Flyktande väte och tungt väte
Vattenmolekyler i Mars atmosfär bryts ned av solljuset till väte- och syreatomer. Teamet mätte specifikt väte och deuterium, som är en väteatom med en neutron i sin kärna. Neutronen ger deuterium en massa som är dubbelt så stor som väteatomens. Eftersom deuterium har en högre massa försvinner det ut i rymden mycket långsammare än vanligt väte.
Med tiden, när mer väte än deuterium försvann, byggdes förhållandet mellan deuterium och väte upp i atmosfären. Genom att mäta förhållandet idag får forskarna en ledtråd till hur mycket vatten som fanns under den varma, våta perioden på Mars. Genom att studera hur dessa atomer för närvarande flyr kan de förstå de processer som bestämde flykthastigheterna under de senaste fyra miljarder åren och därmed extrapolera bakåt i tiden.
Även om de flesta av studiens data kommer från rymdfarkosten MAVEN är MAVEN inte tillräckligt känslig för att se deuteriumutsläppen under alla tider på Marsåret. Till skillnad från jorden svänger Mars långt från solen i sin elliptiska bana under den långa marsianska vintern, och deuteriumutsläppen blir svaga. Clarke och hans team behövde data från Hubble för att ”fylla i luckorna” och slutföra en årscykel för tre Marsår (som vart och ett är 687 jorddagar). Hubble gav också ytterligare data som går tillbaka till 1991 – före MAVENs ankomst till Mars 2014.
Kombinationen av data från dessa uppdrag gav den första helhetsbilden av väteatomer som flyr från Mars ut i rymden.
En dynamisk och turbulent Marsatmosfär
”På senare år har forskarna upptäckt att Mars har en årscykel som är mycket mer dynamisk än vad man trodde för 10 eller 15 år sedan”, förklarar Clarke. ”Hela atmosfären är mycket turbulent och värms upp och kyls ned på korta tidsskalor, till och med ner till timmar. Atmosfären expanderar och drar ihop sig i takt med att solens ljusstyrka på Mars varierar med 40 procent under ett Marsår.”
Teamet upptäckte att väte och deuteriums flykthastigheter förändras snabbt när Mars befinner sig nära solen. I den klassiska bild som forskarna tidigare hade, trodde man att dessa atomer långsamt diffunderade uppåt genom atmosfären till en höjd där de kunde fly.
Men den bilden återspeglar inte längre hela historien, för nu vet forskarna att de atmosfäriska förhållandena förändras mycket snabbt. När Mars befinner sig nära solen stiger vattenmolekylerna, som är källan till väte och deuterium, mycket snabbt genom atmosfären och frigör atomer på hög höjd.
Den andra upptäckten är att förändringarna i väte och deuterium är så snabba att atomflykten behöver extra energi för att förklara dem. Vid den temperatur som råder i den övre atmosfären är det bara en liten del av atomerna som har tillräckligt hög hastighet för att undkomma Mars gravitation. Snabbare (supertermiska) atomer produceras när något ger atomen en kick av extra energi. Dessa händelser inkluderar kollisioner från solvindsprotoner som kommer in i atmosfären, eller solljus som driver kemiska reaktioner i den övre atmosfären.
Fungerar som en proxy
Att studera vattnets historia på Mars är grundläggande inte bara för att förstå planeter i vårt eget solsystem, utan också för att förstå utvecklingen av jordstora planeter runt andra stjärnor. Astronomerna hittar allt fler av dessa planeter, men de är svåra att studera i detalj.
Mars, jorden och Venus befinner sig alla i eller nära solsystemets beboeliga zon, det vill säga den region runt en stjärna där flytande vatten kan samlas på en stenplanet, men alla tre planeterna har dramatiskt olika förutsättningar i dag. Tillsammans med sina systerplaneter kan Mars hjälpa forskarna att förstå hur världar långt borta i vår galax ser ut.
För mer information: John T. Clarke et al, Martian atmospheric hydrogen and deuterium: Seasonal changes and paradigm for escape to space, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adm7499
