Mars was ooit een zeer natte planeet, zoals blijkt uit de geologische kenmerken aan het oppervlak. Wetenschappers weten dat in de afgelopen 3 miljard jaar ten minste wat water diep onder de grond is gegaan, maar wat is er met de rest gebeurd? NASA's Hubble Space Telescope en MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) missies helpen nu dat mysterie te ontrafelen. “Er zijn maar twee plaatsen waar water naartoe kan gaan. Het kan bevriezen in de grond, of de watermolecule kan in atomen uiteenvallen en de atomen kunnen ontsnappen uit de atmosfeer naar de ruimte,” legt onderzoeksleider John Clarke van het Center for Space Physics aan de Boston University in Massachusetts uit.
“Om te begrijpen hoeveel water er was en wat ermee is gebeurd, moeten we begrijpen hoe de atomen in de ruimte ontsnappen.” Clarke en zijn team combineerden gegevens van Hubble en MAVEN om het aantal en de huidige ontsnappingssnelheid te meten van de waterstofatomen die de ruimte in ontsnappen. Met deze informatie konden ze de ontsnappingssnelheid terug in de tijd extrapoleren om de geschiedenis van het water op de Rode Planeet te begrijpen.
Ontsnappende waterstof en "zware waterstof"
Watermoleculen in de atmosfeer van Mars worden door zonlicht opgesplitst in waterstof- en zuurstofatomen. Het team heeft met name waterstof en deuterium gemeten, een waterstofatoom met een neutron in zijn kern. Dit neutron geeft deuterium tweemaal de massa van waterstof. Omdat zijn massa groter is, ontsnapt deuterium veel langzamer de ruimte in dan gewone waterstof. Na verloop van tijd, toen er meer waterstof dan deuterium verloren ging, bouwde de verhouding tussen deuterium en waterstof zich op in de atmosfeer. Het meten van deze verhouding geeft wetenschappers een idee van hoeveel water er aanwezig was tijdens de warme, natte periode op Mars. Door te bestuderen hoe deze atomen nu ontsnappen, kunnen ze de processen begrijpen die de ontsnappingssnelheden in de afgelopen vier miljard jaar hebben bepaald en zo terug in de tijd extrapoleren. Hoewel de meeste gegevens van het onderzoek afkomstig zijn van het MAVEN-ruimteschip, is MAVEN niet gevoelig genoeg om de deuteriumemissie op alle momenten van het Marsjaar te zien. In tegenstelling tot de aarde schommelt Mars tijdens de lange Martiaanse winter ver van de zon in zijn elliptische baan, waardoor de deuteriumuitstoot vaag wordt. Clarke en zijn team hadden de Hubble-gegevens nodig om “de lege plekken op te vullen” en een jaarlijkse cyclus voor drie Marsjaren (die elk 687 aardse dagen duren) te voltooien. Hubble leverde ook aanvullende gegevens die teruggingen tot 1991 - vóór de aankomst van MAVEN op Mars in 2014. De combinatie van gegevens van deze missies leverde het eerste holistische beeld op van waterstofatomen die Mars in de ruimte ontsnappen.
Foto: NASA/ESA
Een dynamische en turbulente Marsatmosfeer
“De afgelopen jaren hebben wetenschappers ontdekt dat Mars een jaarlijkse cyclus heeft die veel dynamischer is dan men 10 of 15 jaar geleden verwachtte,” legt Clarke uit. “De hele atmosfeer is erg turbulent en warmt op en koelt af op korte tijdschalen, zelfs tot uren. De atmosfeer zet uit en krimpt als de helderheid van de zon bij Mars met 40 procent varieert in de loop van een Marsjaar.” Het team ontdekte dat de ontsnappingssnelheden van waterstof en deuterium snel veranderen wanneer Mars zich dicht bij de zon bevindt. In het klassieke beeld dat wetenschappers eerder hadden, werd gedacht dat deze atomen langzaam omhoog diffundeerden door de atmosfeer tot een hoogte waar ze konden ontsnappen. Maar dat beeld weerspiegelt niet langer het hele verhaal, omdat wetenschappers nu weten dat de atmosferische omstandigheden heel snel veranderen. Als Mars dicht bij de zon staat, stijgen de watermoleculen, die de bron zijn van de waterstof en deuterium, heel snel door de atmosfeer en komen de atomen op grote hoogte vrij. De tweede bevinding is dat de veranderingen in waterstof en deuterium zo snel gaan dat de atomaire ontsnapping extra energie nodig heeft om ze te verklaren. Bij de temperatuur van de bovenste atmosfeer heeft slechts een klein deel van de atomen genoeg snelheid om aan de zwaartekracht van Mars te ontsnappen. Snellere (superthermische) atomen ontstaan wanneer iets het atoom een extra energiestoot geeft. Deze gebeurtenissen omvatten botsingen van zonnewindprotonen die de atmosfeer binnenkomen of zonlicht dat chemische reacties in de bovenste atmosfeer aandrijft.
Andere werelden begrijpen
Het bestuderen van de geschiedenis van water op Mars is niet alleen van fundamenteel belang om planeten in ons eigen zonnestelsel te begrijpen, maar ook de evolutie van planeten ter grootte van de aarde rond andere sterren. Astronomen vinden steeds meer van deze planeten, maar ze zijn moeilijk in detail te bestuderen. Mars, Aarde en Venus bevinden zich allemaal in of dichtbij de bewoonbare zone van ons zonnestelsel, het gebied rond een ster waar vloeibaar water zich zou kunnen verzamelen op een rotsachtige planeet. Samen met zijn zusterplaneten kan Mars wetenschappers helpen om de aard van verre werelden in ons melkwegstelsel te begrijpen.
Bron: NASA
