Badacze odkrywają nowy cykl wodny na Marsie

Średnio co dwa ziemskie lata, gdy na południowej półkuli Marsa trwa lato, otwiera się okno: tylko o tej porze roku para wodna może skutecznie unieść się z niższych do wyższych warstw atmosfery Marsa. Tam wiatry przenoszą ten rzadki gaz na biegun północny. Choć część pary wodnej ulega hydrolizie i ucieka w przestrzeń kosmiczną, reszta opada na powierzchnię w pobliżu biegunów. Badacze z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii oraz Instytutu Maa Plancka w Niemczech opisują ten nietypowy marsjański cykl wodny w najnowszym wydaniu periodyku Geophysical Research Letters. Opracowane przez nich symulacje komputerowe wskazują jak para wodna pokonuje barierę zimnego powietrza w środkowej warstwie atmosfery Marsa i dociera w jej wyższe warstwy. Może to tłumaczyć dlaczego Mars, w przeciwieństwie do Ziemi, utracił większość swojej wody.

Miliardy lat temu Mars był planetą pełną wody, która płynęła tam w rzekach, a nawet w oceanie. Od tego czasu, sąsiadująca z nami planeta uległa dramatycznym zmianom. Dzisiaj, tylko niewielkie ilości zamarzniętej wody istnieją pod powierzchnią planety; w atmosferze para wodna występuje w ilościach śladowych. Łącznie planeta mogła utracić co najmniej 80 procent swojej wody. W wyższych warstwach atmosfery Marsa, promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca rozbija cząsteczki wody na wodór (H) oraz grupy hydroksylowe (OH). Wodór, jako najlżejszy pierwiastek, ucieka w przestrzeń międzyplanetarną. Pomiary wykonane przez sondy i teleskopy kosmiczne wskazują, że nawet dzisiaj, woda wciąż ucieka z Marsa w ten sam sposób. Ale jak to możliwe? Środkowa warstwa atmosfery Marsa, tak jak ziemska tropopauza, powinna zatrzymywać wznoszenie się pary wodnej. Jakby nie patrzeć, region ten jest zazwyczaj na tyle zimny, że para wodna powinna zamieniać się w lód. Jak zatem marsjańska para wodna przenika w górne warstwy atmosfery?

W swoich obecnych symulacjach, rosyjscy i niemieccy badacze odkryli wcześniej nieznany mechanizm przypominający swego rodzaju pompę. Opracowany przez nich model w pełni opisuje przepływy całej otoczki gazowej otaczającej Marsa od powierzchni po wysokość 160 kilometrów. Obliczenia wskazują, że zazwyczaj mroźna środkowa warstwa atmosfery może dwa razy dziennie stawać się przepuszczalna dla pary wodnej – ale tylko w określonym miejscu, w określonej porze roku.

Pionowy rozkład pary wodnej na Marsie w trakcie marsjańskiego roku o godzinie 3:00 czasu lokalnego. Tylko latem na południowej półkuli para wodna może docierać w górne warstwy atmosfery. Źródło: GPL, Shaposhnikov et al.

Orbita Marsa odgrywa w tym procesie kluczową rolę. Trajektoria lotu Marsa wokół Słońca, którego okrążenie zajmuje około dwóch lat ziemskich, jest znacznie bardziej eliptyczna niż w przypadku naszej planety. W najbliższym słońcu punkcie orbity (który pokrywa się z latem na półkuli południowej), Mars znajduje się 42 miliony kilometrów bliżej Słońca niż w punkcie najodleglejszym. Lato na półkuli południowej jest zatem zauważalnie cieplejsze niż na półkuli północnej.

“Gdy na półkuli południowej trwa lato, w określonej porze dnia para wodna może lokalnie unosić się z ciepłymi masami powietrza i docierać do górnych warstw atmosfery” mówi Paul Hartogh z MPS podsumowując wyniki opisywanych badań. W górnych warstwach atmosfery ruchy powietrza przenoszą gaz w kierunku bieguna południowego, gdzie powietrze się ochładza i ponownie opada na powierzchnię. Niemniej jednak część pary wodnej tracona jest w trakcie tego cyklu: pod wpływem promieniowania słonecznego, cząsteczki wody ulegają rozbiciu i wodór ucieka w przestrzeń kosmiczną.

Jeszcze jedna osobliwość Marsa może intensyfikować ten nietypowy cykl hydrologiczny: potężne burze pyłowe, które pokrywają całą planetę i regularnie pojawiają się na Marsie w odstępach kilku lat. Ostatnie takie burze obserwowaliśmy w 2018 i 2007 roku, kiedy to zostały one dokładnie zbadane przez sondy krążące wokół Marsa. “Ilości pyłu wypełniające atmosferę w trakcie takiej burzy ułatwiają transport pary wodnej do górnych warstw atmosfery” mówi Aleksander Miedwiediew z MPS.

Marjańskie burze pyłowe pokrywają całą planetę, tak jak tutaj, na zdjęciu z łazika Curiosity w czerwcu 2018 roku. Źródło: NASA

Badacze obliczyli, że w trakcie burzy pyłowej w 2007 roku, dwa razy więcej pary wodnej docierało w górne warstwy atmosfery w porównaniu z okresami letnimi na półkuli południowej gdy burz nie było. Skoro cząsteczki pyłu pochłaniają światło słoneczne i ogrzewają się, temperatury w całej atmosferze rosną nawet o 30 stopni. “Nasz model wskazuje z niespotykaną dokładnością jak pył w atmosferze wpływa na procesy mikrofizyczne biorące udział w transformacji lodu w parę wodną” tłumaczy Dmitrij Szaposznikow z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii, główny autor opracowania.

“Widocznie marsjańska atmosfera jest bardziej przepuszczalna dla pary wodnej niż ziemska” podsumowuje Hartogh. “Odkryty przez nas nowy, sezonowy cykl wodny znacząco przyczynia się do ciągłej utraty wody przez Marsa”.

Źródło: MPS

Artykuł naukowy: http://dx.doi.org/10.1029/2019GL082839