21 augustus 2019

De eerste resultaten van de ExoMars Trace Gas Orbiter zijn bekendgemaakt

TGO analyseert de atmosfeer van Mars. Credit: ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: O. Korablev et al (2019)

Nieuwe gegevens over de impact van de recente planeet-omvattende stofstorm op het water in de atmosfeer en een verrassende afwezigheid van methaan, dat zijn de wetenschappelijke hoogtepunten van het eerste jaar dat de ExoMars Trace Gas Orbiter doorbracht in een baan rond Mars. De nieuwe resultaten worden beschreven in twee papers die vandaag gepubliceerd zijn in het tijdschrift Nature. Ze worden ook toegelicht tijdens een persconferentie bij de European Geosciences Union in Wenen.

Een derde paper die ingestuurd werd bij de Proceedings of the Russian Academy of Science toont de meest gedetailleerde kaart ooit gemaakt van water-ijs of gehydrateerde mineralen op geringe diepte in de bodem van Mars. De ExoMars Trace Gas Orbiter, of TGO, is een gezamenlijke missie van ESA en het Russische ruimtevaartagentschap Roscosmos. De sonde kwam in oktober 2016 aan bij de rode planeet. Ze had meer dan een jaar nodig om door middel van de aerobraking-techniek in een voor wetenschappelijk onderzoek geschikte baan te komen. TGO heeft nu een omlooptijd van 2 uur, op 400 kilometer boven het oppervlak van Mars.

“We zijn opgetogen met de eerste resultaten van de Trace Gas Orbiter,” zegt Håkan Svedhem, TGO-projectwetenschapper bij ESA. “Onze instrumenten presteren uitstekend en leverden al tijdens de eerste maanden zeert goede data, van een veel hoger niveau dan voorheen mogelijk was.”

De eerste resultaten van TGO. Credit: ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: O. Korablev et al (2019)

De belangrijkste wetenschappelijke missie van de TGO begon eind april 2018. Enkele maanden later brak de globale stofstorm los die uiteindelijk tot de ondergang zou leiden van de NASA-rover Opportunity, na meer dan 15 jaar rondrijden over het oppervlak van Mars. Vanuit hun baan om de planeet konden satellieten daarentegen unieke waarnemingen doen. TGO volgde het opsteken en de ontwikkeling van de storm en observeerde hoe de toenemende hoeveelheid stof de waterdamp in de atmosfeer beïnvloedde. Dat is van belang om de evolutie van het water op Mars doorheen de tijd te begrijpen.

Profiteren van de stofstorm

Twee spectrometers aan boord, NOMAD en ACS, maakten de eerste zonnebedekkingsmetingen van de atmosfeer op hoge resolutie. Daarbij observeren ze hoe zonlicht geabsorbeerd wordt in de atmosfeer om zo de chemische vingerafdrukken van de ingrediënten ervan bloot te leggen. Dat maakte het mogelijk om de verticale distributie van waterdamp en ‘halfzwaar’ water (waarin één van de waterstofatomen vervangen is door een deuterium-atoom, een vorm van waterstof met een extra neutron) in kaart te brengen, van vlak boven het Marsoppervlak tot op meer dan 80 km hoogte.

De nieuwe resultaten volgen de invloed van stof in de atmosfeer op water en op het ontsnappen van waterstofatomen naar de ruimte. “Op de noordelijke breedtegraden zagen we dingen die er voorheen niet waren, zoals stofwolken op hoogtes van ongeveer 25-40 km. Op zuidelijke breedtegraden zagen we dan weer stoflagen die zich naar grotere hoogten verplaatsen,” zegt Ann Carine Vandaele, hoofdonderzoeker voor het NOMAD-instrument bij het BIRA.

“De toename van de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer ging opvallend snel. Ze vond plaats over een periode van slechts een paar dagen na het opsteken van de storm. Dat toont aan dat de atmosfeer snel reageert op de stofstorm.”

De ontwikkeling van een stofstorm. ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: A-C Vandaele et al (2019)

De waarnemingen stroken met globale circulatiemodellen. Stof absorbeert zonnestralen, waardoor het omringende gas opwarmt en uitzet. Dat zorgt er dan weer voor dat andere ingrediënten van de atmosfeer, zoals water, herverdeeld worden over een groter verticaal gebied. Er ontstaan ook grotere temperatuurverschillen tussen de polen en de evenaar, waardoor de atmosferische circulatie versterkt. Tegelijkertijd vormen er zich door de hogere temperaturen minder wolken van water-ijs, die het water normaal vasthouden op lagere hoogtes.

De teams maakten ook de eerste simultane waarnemingen van halfzwaar water en waterdamp. De leverde belangrijke informatie op over de processen die beïnvloeden hoeveel waterstof- en deuterium-atomen kunnen ontsnappen naar de ruimte. Zo kon ook de verhouding deuterium ten opzicht van waterstof (deuterium-to-hydrogen of D/H ratio) vastgesteld worden, een belangrijke variabele die verband houdt met de evolutie van de totale hoeveelheid water op Mars.

“We zien dat water, met of zonder deuterium, heel gevoelig is voor de aanwezigheid van ijswolken. Die beletten dat het de hogere lagen van de atmosfeer bereikt. Tijdens de storm steeg het water tot op veel grotere hoogten’”, zegt Ann Carine. “Dit werd al lang voorspeld door theoretische modellen maar dit is de eerste keer dat we het ook konden waarnemen.”

Aangezien voorspeld wordt dat de D/H ratio varieert naargelang het seizoen en de breedtegraad, wordt verwacht dat de toekomstige regionale en seizoensgebonden metingen van TGO verder bewijs zullen leveren van de processen die spelen.

Het methaanmysterie wordt dieper

De twee complementaire instrumenten zijn ook begonnen met het meten van spoorgassen in de atmosfeer van Mars. Spoorgassen maken minder dan 1 (volume)percent van de atmosfeer uit, waardoor er zeer precieze meettechnieken nodig zijn om hun exacte chemische vingerafdruk in de samenstelling van de atmosfeer vast te stellen. De aanwezigheid van spoorgassen wordt doorgaans gemeten in ‘deeltjes per miljard volgens volume’ (parts per billion by volume of ppbv). Het gehalte methaan in de atmosfeer op aarde bedraagt bijvoorbeeld 1800 ppbv, wat wil zeggen dat er in één miljard moleculen uit de Aardse atmosfeer 1.800 moleculen methaan zitten.

Methaan is bijzonder interessant voor Marswetenschappers aangezien het niet alleen uit geologische processen voortkomt maar ook kan wijzen op leven. Op Aarde komt zo’n 95% van het methaan in de atmosfeer voort uit biologische processen. Het gas wordt vernietigd door zonnestraling over periodes van enkele eeuwen. Dat betekent dat methaan dat waargenomen wordt in de atmosfeer relatief recent vrijgekomen moet zijn, ook al is het gas zelf miljoenen of miljarden jaren geleden gevormd en tot vandaag gevangen gebleven in ondergrondse reservoirs. Bovendien worden spoorgassen dag in dag uit efficiënt vermengd vlakbij het oppervlak van de planeet. Globale windcirculatiemodellen voorspellen dat methaan in de loop van enkele maanden gelijkmatig verspreid raakt rondom de planeet.

Berichten over methaan in de atmosfeer van Mars werden uitgebreid besproken omdat de waarnemingen heel sporadisch waren qua tijd en verspreid qua locatie. Ze lagen bovendien vaak op de grens van de detectiedrempels van de betrokken instrumenten. De ESA-sonde Mars Express bracht één van de eerste metingen uit een baan om Mars in 2004. Toen werd aanwezigheid van 10 ppbv methaan waargenomen.

Telescopen op Aarde meldden daarnaast zowel negatieve waarnemingen als voorbijgaande metingen tot ongeveer 45 ppbv. De Curiosity-rover van NASA, die sinds 2012 de Gale-krater op Mars verkent, suggereerde een achtergrondniveau van ongeveer 0,2 tot 0,7 ppbv methaan, met enkele hogere pieken. Minder lang geleden nam Mars Express nog een methaanpiek waar, één dag na één van de hoogste metingen van Curiosity.

TGO’s zoektocht naar methaan op Mars. ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: A-C Vandaele et al (2019)

De nieuwe resultaten van TGO leveren de meest gedetailleerde globale analyse tot dusver. Er werd niet meer dan van 0,05 ppbv waargenomen, wat 10 tot 100 keer minder methaan is dan gemeld werd bij alle voorgaande waarnemingen. De meest nauwkeurige waarnemingsdrempel van 0,012 ppbv werd bereikt op 3 km hoogte.

Als we rekening houden met een voorspelde levensduur van 300 jaar van een methaan-molecule op Mars (waarbij enkel met atmosferische afbraakprocessen rekening gehouden wordt), komt 0,05 ppbv overeen met een methaanuitstoot van maximaal 500 ton. Verspreid over de hele atmosfeer is dat een extreem laag cijfer.

“We hebben mooie, heel nauwkeurige gegevens die signalen van water tonen binnen het gebied waarin we verwachtten ook methaan te zien. Maar voor methaan kunnen we alleen melding maken van een bescheiden bovengrens, wat wijst op een globale afwezigheid van methaan,” zegt ACS-hoofdonderzoeker Oleg Korablov van het Instituut voor Ruimte-onderzoek van de Russische Academie voor Wetenschappen in Moskou.

“De heel precieze metingen van de TGO lijken in strijd te zijn met eerdere waarnemingen. Om de verschillende datasets te verzoenen en de snelle transitie van eerder gedetecteerde methaanpluimen naar de blijkbaar zeer lage achtergrondniveaus te verklaren moeten we een mechanisme ontdekken dat snel methaan vernietigt, vlakbij het oppervlak van de planeet.”

“De vraag naar de aanwezigheid van methaan en waar het vandaan komt gaf aanleiding tot veel debatten. Net zo interessant is de kwestie van waar het heengaat en hoe het zo snel kan verdwijnen,” zegt Håkan.

“We hebben niet alle puzzelstukken en zien dus nog niet het hele plaatje. Het is net daarom dat we daar zijn met de TGO. We maken een gedetailleerde analyse van de atmosfeer met de beste instrumenten die we hebben om beter te begrijpen hoe actief deze planeet is, of het nu biologisch of geologisch is.”

De belangrijkste methaanmetingen op Mars. ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: A-C Vandaele et al (2019)

De nauwkeurigste kaart van water vlak onder het oppervlak

Terwijl het felle debat over de aard en de aanwezigheid van methaan verder gaat, is het wel zeker dat er ooit water was op Mars. Ook zeker is dat het er nog steeds is, in de vorm van water-ijs en water-gehydrateerde mineralen. En waar er water was, was er misschien ook leven.

Om de locatie en de historiek van water op Mars beter te begrijpen brengt de neutronendetector FREND aan boord van de TGO de distributie van waterstof tot op één meter onder het oppervlak van de planeet in kaart. Waterstof is een bestanddeel van watermoleculen en wijst dus op de aanwezigheid van water. Het kan ook wijzen op water dat geabsorbeerd werd door het oppervlak of op mineralen die gevormd werden in aanwezigheid van water.

FREND zal één Mars-jaar—bijna twee Aard-jaren—nodig hebben om optimale statistische gegevens te bekomen en zo een kaart van de hoogste kwaliteit te genereren. Maar ook de eerste kaarten, gebaseerd op de gegevens van slechts een paar maanden, overtreffen nu al de resolutie van eerdere metingen.

De verspreiding van water vlak onder het oppervlak van Mars, ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: A-C Vandaele et al (2019)

“In amper 131 dagen had het instrument al een kaart geproduceerd met een hogere resolutie dan die gebaseerd op 16 jaar aan gegevens van z’n voorganger, aan boord van NASA’s Mars Odyssey. En ze zal nóg beter worden,” zegt Igor Mitrofanov, hoofdonderzoeker van het FREND-instrument bij het Instituut voor Ruimteonderzoek van de Russische Academie voor Wetenschappen in Moskou.

Naast de permafrost in de poolgebieden die vanzelfsprekend rijk is aan water, toont de kaart ook in fijner detail lokale ‘natte’ en ‘droge’ gebieden. Ze toont ook waterrijke stoffen in de gebieden rond de evenaar. Dat kan er op wijzen dat er zich daar vandaag waterrijk permafrost bevindt, of dat de polen van de planeet zich daar in het verleden bevonden.

“De data worden steeds beter. Uiteindelijk zullen we beschikken over dé referentiegegevens om de waterrijke stoffen vlak onder het oppervlak van Mars in kaart te brengen. Dat is cruciaal voor ons begrip van de algemene evolutie van Mars en van waar al het vandaag aanwezige water zich bevindt,” voegt Igor toe. “Dat is van belang voor het wetenschappelijk onderzoek van Mars en waardevol voor de exploratie van Mars in de toekomst.”

“We konden eerder al genieten van mooie foto’s en stereo-beelden van Mars dankzij het beeldvormingssysteem van TGO. Nu zijn we zijn verheugd dat we een eerste blik op de data van de andere instrumenten kunnen delen,” besluit Håkan.

“We kijken uit naar een mooie toekomst waarin we verder zullen bijdragen aan de vele fascinerende aspecten van de Marswetenschap zoals de verspreiding van water onder de oppervlakte, de actieve oppervlakteprocessen en de mysteries van de Martiaanse atmosfeer.”

Detail van een stofhoos. ESA/Roscosmos/CaSSIS, CC BY-SA 3.0 IGO

Hier de vakartikelen over de waarnemingen met de TGO.

Early observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars” door O. Korablev et al. is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter” door A.C. Vandaele et al. is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Neutron Mapping of Mars with High Spatial Resolution: First Results of FREND experiment of the ExoMars Project” door I.G. Mitrofanov et al. werd aanvaard voor publicatie in Proceedings of the Russian Academy of Science, the Branch of Physical Science.

Bron: ESA.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.