Nowe odkrycia podważają klasyczne poglądy naukowców
Co się stało z wodą, która kiedyś zakryła Mars? Naukowcy wiedzą, że część zeszła głęboko pod ziemię, ale gdzie jest reszta? Dowody wskazują, że niektóre cząsteczki wody rozpadły się na atomy, które wznoszą się przez marsjańską atmosferę i uciekają w przestrzeń kosmiczną. Łącząc dane z Hubble’a i MAVEN, zespół zmierzył liczbę i aktualne tempo uciekających atomów wodoru.
Odkryli, że szybkość ucieczki wodoru i „ciężkiego wodoru”, zwanego deuterem, zmienia się szybko, gdy Mars znajduje się blisko Słońca. To wywróciło do góry nogami klasyczny obraz, jaki mieli wcześniej naukowcy, według którego atomy te powoli dyfundowały w górę przez atmosferę na wysokość, na której mogły uciec. Ekstrapolacja współczynnika ucieczki wstecz w czasie pomogła zespołowi zrozumieć historię wody na Czerwonej Planecie.
NASAHubble’a i MAVEN Pomóż rozwiązać tajemnicę uciekającej wody z Marsa
Mars był kiedyś bardzo wilgotną planetą, co widać po cechach geologicznych jego powierzchni. Naukowcy wiedzą, że w ciągu ostatnich 3 miliardów lat przynajmniej część wody zeszła głęboko pod ziemię, ale co stało się z resztą? Teraz NASA Kosmiczny Teleskop Hubble’a i MAVEN (Mars Atmphere and Volatile Evolution) pomagają odkryć tę tajemnicę.
„Są tylko dwa miejsca, gdzie woda może dotrzeć. Może zamarznąć w ziemi lub cząsteczka wody może rozbić się na atomy, a atomy mogą uciec ze szczytu atmosfery w przestrzeń kosmiczną” – wyjaśnia kierownik badania John Clarke z Centrum Fizyki Kosmicznej na Uniwersytecie Bostońskim w Massachusetts. „Aby zrozumieć, ile było wody i co się z nią stało, musimy zrozumieć, w jaki sposób atomy uciekają w przestrzeń kosmiczną”.
Clarke i jego zespół połączyli dane z Hubble’a i MAVEN, aby zmierzyć liczbę i aktualną szybkość ucieczki atomów wodoru uciekających w przestrzeń kosmiczną. Informacje te pozwoliły im ekstrapolować współczynnik ucieczki wstecz w czasie, aby zrozumieć historię wody na Czerwonej Planecie.
Odbite światło słoneczne od Marsa na tych długościach fali wykazuje rozpraszanie przez cząsteczki atmosferyczne i mgłę, podczas gdy polarne czapy lodowe i niektóre cechy powierzchni są również widoczne. Hubble i MAVEN pokazali, że marsjańskie warunki atmosferyczne zmieniają się bardzo szybko. Kiedy Mars znajduje się blisko Słońca, cząsteczki wody bardzo szybko unoszą się w atmosferze, rozbijając się i uwalniając atomy na dużych wysokościach. Źródło: NASA, ESA, STScI, John T. Clarke (Uniwersytet Bostoński), Joseph DePasquale (STScI)
Ucieczka z wodoru i „ciężki wodór”
Cząsteczki wody w marsjańskiej atmosferze są rozbijane przez światło słoneczne na atomy wodoru i tlenu. W szczególności zespół zmierzył wodór i deuter, który jest wodorem atom z neutronem w jądrze. Neutron ten daje deuter o masie dwukrotnie większej od wodoru. Ponieważ jego masa jest większa, deuter ucieka w przestrzeń kosmiczną znacznie wolniej niż zwykły wodór.
Z biegiem czasu, w miarę jak utracono więcej wodoru niż deuteru, w atmosferze wzrósł stosunek deuteru do wodoru. Dzisiejszy pomiar tego stosunku daje naukowcom wskazówkę, ile wody znajdowało się w ciepłym i wilgotnym okresie na Marsie. Badając, w jaki sposób obecnie te atomy uciekają, mogą zrozumieć procesy, które determinowały tempo ucieczki w ciągu ostatnich czterech miliardów lat, a tym samym dokonać ekstrapolacji w czasie.
Porównania i ekstrapolacje międzyplanetarne
Chociaż większość danych zawartych w badaniu pochodzi ze statku kosmicznego MAVEN, MAVEN nie jest wystarczająco czuły, aby wykryć emisję deuteru we wszystkich porach marsjańskiego roku. W przeciwieństwie do Ziemi, Mars podczas długiej marsjańskiej zimy odchyla się daleko od Słońca po swojej eliptycznej orbicie, a emisja deuteru staje się słaba. Clarke i jego zespół potrzebowali danych z Hubble’a, aby „wypełnić puste miejsca” i ukończyć roczny cykl trwający trzy lata marsjańskie (z których każdy wynosi 687 dni ziemskich). Hubble dostarczył także dodatkowe dane sięgające 1991 r. – sprzed przybycia MAVEN na Marsa w 2014 r.
Połączenie danych uzyskanych z tych misji pozwoliło uzyskać pierwszy całościowy obraz atomów wodoru uciekających z Marsa w przestrzeń kosmiczną.
Dynamiczna i burzliwa atmosfera marsjańska
„W ostatnich latach naukowcy odkryli, że cykl roczny Marsa jest znacznie bardziej dynamiczny, niż ludzie oczekiwali 10 czy 15 lat temu” – wyjaśnił Clarke. „Cała atmosfera jest bardzo burzliwa, nagrzewa się i ochładza w krótkich odstępach czasu, nawet do kilku godzin. Atmosfera rozszerza się i kurczy, gdy jasność Słońca na Marsie zmienia się o 40 procent w ciągu marsjańskiego roku.
Zespół odkrył, że szybkość ucieczki wodoru i deuteru zmienia się szybko, gdy Mars znajduje się blisko Słońca. Z klasycznego obrazu, jaki posiadali wcześniej naukowcy, sądzono, że atomy te powoli dyfundują w górę przez atmosferę na wysokość, na której mogą uciec.
Ale ten obraz nie odzwierciedla już dokładnie całej historii, ponieważ teraz naukowcy wiedzą, że warunki atmosferyczne zmieniają się bardzo szybko. Kiedy Mars znajduje się blisko Słońca, cząsteczki wody, będące źródłem wodoru i deuteru, unoszą się przez atmosferę bardzo szybko, uwalniając atomy na dużych wysokościach.
Drugie odkrycie jest takie, że zmiany w wodorze i deuterze są tak szybkie, że do ich wyjaśnienia ucieczka atomowa wymaga dodatkowej energii. W temperaturze górnej atmosfery tylko niewielka część atomów ma wystarczającą prędkość, aby uciec przed grawitacją Marsa. Szybsze (supertermiczne) atomy powstają, gdy coś daje atomowi dodatkową energię. Zdarzenia te obejmują zderzenia protonów wiatru słonecznego wchodzących do atmosfery lub światła słonecznego, które wywołuje reakcje chemiczne w górnych warstwach atmosfery.
Pełnienie funkcji pełnomocnika
Badanie historii wody na Marsie ma fundamentalne znaczenie nie tylko dla zrozumienia planet w naszym Układzie Słonecznym, ale także ewolucji planet wielkości Ziemi krążących wokół innych gwiazd. Astronomowie znajdują coraz więcej takich planet, lecz trudno je szczegółowo zbadać. Mars, Ziemia i Wenus wszystkie znajdują się w zamieszkałej strefie naszego Układu Słonecznego lub w jej pobliżu, czyli obszarze wokół gwiazdy, w którym na skalistej planecie może gromadzić się woda w stanie ciekłym; jednak na wszystkich trzech planetach panują obecnie radykalnie odmienne warunki. Wraz ze swoimi siostrzanymi planetami Mars może pomóc naukowcom zrozumieć naturę odległych światów w naszej galaktyce.
Wyniki te ukazały się w wydaniu z 26 lipca Postęp naukiopublikowane przez Amerykańskie Stowarzyszenie na rzecz Postępu Nauki.
Odniesienie: „Marsjański atmosferyczny wodór i deuter: zmiany sezonowe i paradygmat ucieczki w przestrzeń kosmiczną” autorstwa Johna T. Clarke’a, Majda Mayyasi, Dolona Bhattacharyyi, Jean-Yvesa Chaufraya, Nicolasa Schneidera, Bruce’a Jakosky’ego, Rogera Yelle, Francka Montmessina, Michaela Chaffina, Shannon Curry, Justin Deighan, Sonal Jain, Jean-Loup Bertaux, Eryn Cangi, Matteo Crismani, Scott Evans, Sumedha Gupta, Franck Lefevre, Greg Holsclaw, Daniel Lo, William McClintock, Michael Stevens, Ian Stewart, Shane Stone, Paul Mahaffy, Mehdi Benna i Meredith Elrod, 26 lipca 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adm7499
O misjach
Wystrzelony ponad trzydzieści lat temu Kosmiczny Teleskop Hubble’a pozostaje nieocenionym nabytkiem w eksploracji kosmosu, stale przyczyniając się do naszego zrozumienia kosmosu. Teleskop zarządzany przez Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda należący do NASA i wspierany przez Lockheed Martin Space, teleskop jest wzorem międzynarodowej współpracy, obsługiwanej wspólnie z Europejska Agencja Kosmiczna. The Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych w Baltimore prowadzi działalność naukową, czyniąc Hubble’a kamieniem węgielnym zarówno w badaniach astronomicznych, jak i współpracy międzynarodowej.
Zarządzany przez Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA i skonstruowany przez Lockheed Martin Space, MAVEN okrąża Marsa i bada jego atmosferę od 2014 r. Główny badacz misji i kierownictwo jej operacji naukowych mieści się w Laboratorium Atmosfery i Kosmosu Uniwersytetu Kolorado Boulder Fizyka. Taka konfiguracja wspiera cele MAVEN, jakim jest zrozumienie utraty atmosfery na Marsie, dzięki dodatkowej pomocy w nawigacji i komunikacji zapewnianej przez Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA. W miarę jak zbliża się dziesiąty rok jego pobytu na Marsie, MAVEN w dalszym ciągu dostarcza kluczowych danych, które pomagają nam zrozumieć Czerwoną Planetę.
