18 mei 2021

ExoMars detecteert nieuw gas en spoort waterverlies op Mars op

Beeld van de Terra Sabaea- en Arabia Terra-gebieden van Mars, samengesteld uit gegevens van de High Resolution Stereo Camera op ESA’s Mars Express-ruimtesonde. Credit: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

ESA-Roscosmos’ ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) heeft voor het eerst een ‘nieuw’ gas ontdekt: een gas dat nooit eerder op Mars werd waargenomen. Zeezout dat in het stoffige oppervlak van Mars is ingebed en in de atmosfeer van de planeet is meegevoerd, heeft geleid tot de ontdekking van waterstofchloride. TGO levert ook nieuwe informatie over de manier waarop Mars zijn water verliest.

Twee belangrijke drijfveren in Marsonderzoek zijn enerzijds de jacht op atmosferische gassen die verband houden met biologische of geologische activiteit, en anderzijds het verkrijgen van inzicht in de vroegere en huidige watervoorraad op de planeet, om te bepalen of Mars ooit bewoonbaar kan zijn geweest en of er waterreservoirs toegankelijk kunnen zijn voor toekomstige menselijke exploratie. Twee nieuwe resultaten van het ExoMars-team, vandaag gepubliceerd in Science Advances, onthullen een geheel nieuwe klasse van chemie en geven meer inzicht in seizoensgebonden veranderingen en interacties tussen oppervlak en atmosfeer.

Een nieuwe chemie

De Trace Gas Orbiter-missie verzamelt al sinds het voorjaar van 2018 atmosferische gegevens op Mars. Naast de zoektocht naar methaan is de detectie van nieuwe gassen een van de hoofddoelen van de missie. Het recentste onderzoek op Mars heeft nu voor het eerst geleid tot de ontdekking van een nieuw gas in de atmosfeer van Mars: waterstofchloride. Dit is de eerste detectie van een halogeengas in de atmosfeer van Mars, en vertegenwoordigt een nieuwe chemische cyclus om te begrijpen.

Waterstofchloridegas, of HCl, bestaat uit een waterstof- en een chlooratoom. Mars-wetenschappers waren altijd al op zoek naar gassen op basis van chloor of zwavel omdat ze mogelijke indicatoren zijn van vulkanische activiteit. Maar de aard van de waarnemingen – het feit dat waterstofchloride op hetzelfde moment op zeer afgelegen plaatsen werd waargenomen, en het ontbreken van andere gassen die men bij vulkanische activiteit zou verwachten – wijst op een andere bron. De ontdekking wijst op een geheel nieuwe interactie tussen het oppervlak en de atmosfeer van Mars, aangedreven door de stofseizoenen op Mars, die nog niet eerder was onderzocht.

In een proces dat veel gelijkenis vertoont met dat op aarde worden zouten in de vorm van natriumchloride (NaCl) – overblijfselen van de oceanen die verdampt zijn en gevangen zitten in het stoffige oppervlak van Mars – door de winden in de atmosfeer gebracht. Zonlicht verwarmt de atmosfeer waardoor het stof, samen met de waterdamp (H2O) die vrijkomt uit de ijskappen, opstijgt. Het zoute stof reageert met het water in de atmosfeer waarbij chloor vrijkomt, dat op zijn beurt weer reageert met waterstofmoleculen en waterstofchloride vormt. Door verdere reacties zou het chloor- of zoutzuurrijke stof kunnen terugkeren naar het oppervlak, misschien in de vorm van perchloraten, een zoutsoort die bestaat uit zuurstof en chloor.

Hoe waterstofchloride op Mars kan ontstaan. Credit: ESA

Water blijkt een cruciaal element te zijn in deze chemie: je hebt waterdamp nodig om chloor vrij te maken en je hebt de bijproducten van water – waterstof – nodig om waterstofchloride te vormen. Maar ook het stof speelt een heel belangrijke rol: er wordt meer waterstofchloride waargenomen wanneer de stofactiviteit toeneemt, een proces dat verband houdt met de seizoensgebonden opwarming van het zuidelijk halfrond.

Het team nam het gas voor het eerst waar tijdens de globale stofstorm in 2018, waarbij het gelijktijdig op zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond verscheen, en was getuige van de verrassend snelle verdwijning ervan weer aan het einde van de seizoensgebonden stofperiode. Wetenschappers hebben inmiddels de gegevens van het volgende stofseizoen bekeken en zien de HCl stijgen.

Uitgebreide laboratoriumtests en nieuwe globale atmosferische simulaties zullen nodig zijn om de op chloor gebaseerde interactie tussen oppervlak en atmosfeer beter te begrijpen, samen met voortgezette waarnemingen op Mars om te bevestigen dat de stijging en daling van HCl wordt aangedreven door de zomer op het zuidelijk halfrond.

Stijgende waterdamp biedt aanknopingspunten voor klimaatevolutie

Behalve nieuwe gassen levert de Trace Gas Orbiter ook een beter inzicht in de manier waarop Mars zijn water verloor – een proces dat eveneens verband houdt met seizoensgebonden veranderingen.

Ooit zou vloeibaar water over het oppervlak van Mars hebben gestroomd, zoals blijkt uit de talrijke voorbeelden van oude opgedroogde valleien en rivierbeddingen. Vandaag de dag zit het meestal opgesloten in de ijskappen of onder het Marsoppervlak. Mars lekt ook vandaag nog water in de vorm van waterstof en zuurstof die uit de atmosfeer ontsnappen.

Inzicht in het samenspel van potentiële waterhoudende reservoirs en hun gedrag op seizoens- en lange termijn is essentieel om de evolutie van het klimaat van Mars te begrijpen. Dit kan worden gedaan door het bestuderen van waterdamp en ‘halfzwaar’ water (waarbij één waterstofatoom is vervangen door een deuteriumatoom, een vorm van waterstof met een extra neutron).

De deuterium-over-waterstof-verhouding, D/H, vertelt ons iets over de geschiedenis van het water op Mars, en hoe het waterverlies in de loop der tijd is geëvolueerd.

Met de Trace Gas Orbiter kunnen we het pad van de waterisotopologiën volgen terwijl ze opstijgen in de atmosfeer met een niveau van detail dat niet eerder mogelijk was. Eerdere metingen gaven alleen het gemiddelde over de hele atmosfeer. Het is alsof we vroeger alleen een 2D-beeld hadden, nu kunnen we de atmosfeer in 3D verkennen.
zegt Ann Carine Vandaele van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie, hoofdonderzoeker van het Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD) instrument dat voor dit onderzoek werd gebruikt.

ExoMars observeert water in de atmosfeer van Mars. Credit: ESA

De nieuwe metingen onthullen dramatische variabiliteit in D/H met de hoogte en het seizoen naarmate het water opstijgt van zijn oorspronkelijke locatie. De gegevens laten zien dat zodra het water volledig is verdampt, het een hoge verrijking in halfzwaar water vertoont met een D/H-verhouding die zes keer zo hoog is als die van de aarde, hetgeen bevestigt dat in de loop van de tijd grote hoeveelheden water verloren zijn gegaan.

ExoMars-gegevens die tussen april 2018 en april 2019 zijn verzameld, lieten ook drie gevallen van versneld waterverlies in de atmosfeer zien: de wereldwijde stofstorm van 2018, een korte maar intense regionale storm in januari 2019, en het vrijkomen van water uit de zuidelijke poolijskap tijdens de zomermaanden, gekoppeld aan seizoenswisselingen. Van bijzonder belang is een pluim van opstijgende waterdamp tijdens de zuidelijke zomer die op seizoens- en jaarbasis water in de bovenste atmosfeer zou kunnen injecteren.

Toekomstige waarnemingen, gecoördineerd met andere ruimtevaartuigen, waaronder NASA’s MAVEN, dat zich richt op de bovenste atmosfeer, zullen aanvullende informatie opleveren over de evolutie van water gedurende het Martiaans jaar.

De wisseling van de seizoenen op Mars, en in het bijzonder de relatief hete zomer op het zuidelijk halfrond, lijkt de drijvende kracht te zijn achter deze nieuwe waarnemingen, zoals het verhoogde waterverlies in de atmosfeer en de stofactiviteit die verband houdt met de detectie van waterstofchloride, die we zien in de twee nieuwste studies. De waarnemingen van de Trace Gas Orbiter stellen ons in staat de Marsatmosfeer te verkennen zoals nooit tevoren.

Seizoensvariabiliteit van water (links) en D/H (rechts) voor de noordelijke (boven) en zuidelijke (onder) hemisferen, zoals bepaald door het Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD) instrument aan boord van de ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter. Er is waargenomen dat water grote hoogten van meer dan 80 km bereikt tijdens regionale en wereldwijde stofstormen en aan het begin van de zuidelijke zomer (met de naam ‘aspirator’). Koudere temperaturen aan de polen en in de middelste atmosfeer leiden tot fractionering van water en een schijnbare afname van D/H. Wanneer het water echter volledig verdampt is, vertoont het een sterke verrijking van zes maal die van de oceanen op aarde, hetgeen bevestigt dat in de loop van de tijd grote hoeveelheden water naar de ruimte verloren zijn gegaan.
Credit: Villanueva et al. (2021)

Vakartikelen

Bron: Aeronomie.be.

Speak Your Mind

*

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