Przez dziesięciolecia Mars jawił się naukowcom jako planeta sucha, mroźna i – co najważniejsze – elektrycznie spokojna w porównaniu do Ziemi czy gazowych olbrzymów. Jednak najnowsze analizy danych przesłanych przez sondę MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) rzucają zupełnie nowe światło na dynamikę marsjańskiej atmosfery. Zespół badawczy, po skrupulatnym przeszukaniu archiwalnych pomiarów z ostatniej dekady, natrafił na bezpośredni dowód istnienia zjawisk elektromagnetycznych, które do złudzenia przypominają ziemskie wyładowania atmosferyczne. To odkrycie, opublikowane na łamach prestiżowego periodyku Science Advances, stanowi kamień milowy w naszym zrozumieniu Czerwonej Planety.
Kluczem do zrozumienia tego fenomenu są tak zwane fale świstowe (ang. whistler waves). Są to sygnały radiowe o bardzo niskiej częstotliwości, generowane przez impulsy elektryczne, takie jak błyskawice. Na Ziemi fale te powstają podczas uderzenia pioruna, po czym przemieszczają się wzdłuż linii pola magnetycznego przez jonosferę i magnetosferę. Ich nazwa bierze się z charakterystycznego, opadającego dźwięku, jaki wydają po odebraniu i przetworzeniu na sygnał akustyczny – wynika to z faktu, że niższe częstotliwości podróżują przez plazmę wolniej niż wyższe, co powoduje ich rozciągnięcie w czasie, czyli dyspersję.
Dotychczas fale świstowe obserwowano regularnie na planetach posiadających silne, globalne pola magnetyczne, takich jak Jowisz, Saturn czy Neptun. Mars jest jednak przypadkiem szczególnym – miliardy lat temu utracił on swoją globalną magnetosferę, co teoretycznie powinno uniemożliwić powstawanie i propagację takich sygnałów. Odkrycie MAVEN sugeruje jednak, że lokalne uwarunkowania Czerwonej Planety pozwalają na występowanie procesów znacznie bardziej złożonych, niż wcześniej przypuszczano.
Mechanizm powstawania: pył zamiast deszczu
W jaki sposób na planecie niemal pozbawionej wilgoci mogą powstawać wyładowania? Naukowcy wskazują na potężne marsjańskie burze pyłowe oraz mniejsze wiry, zwane „diabełkami pyłowymi”. Symulacje laboratoryjne i modele teoretyczne od lat sugerowały, że podczas takich zjawisk ziarna pyłu zderzają się ze sobą, co prowadzi do elektryzowania tryboelektrycznego (przez tarcie). Proces ten jest analogiczny do zjawisk zachodzących w chmurach popiołu podczas erupcji wulkanicznych na Ziemi.
Kiedy nagromadzony ładunek elektryczny staje się wystarczająco duży, dochodzi do wyładowania. Choć rzadkie i prawdopodobnie słabsze niż ziemskie pioruny, marsjańskie wyładowania mogą generować fale elektromagnetyczne zdolne do ucieczki w wyższe warstwy atmosfery. Choć Mars nie ma globalnego pola magnetycznego, posiada liczne skorupowe pola magnetyczne – pozostałości po dawnej aktywności jądra planety, „uwięzione” w namagnesowanych skałach powierzchniowych. Pola te, znacznie silniejsze na półkuli południowej, tworzą swoiste kanały, po których fale świstowe mogą podróżować w stronę orbity, gdzie rezydują instrumenty badawcze NASA.
Detekcja rzadsza niż jedna na sto tysięcy
Mimo ogromnej ilości zgromadzonych danych, namierzenie sygnału było nie lada wyzwaniem. Zespół badawczy przeanalizował ponad 108 000 pomiarów wykonanych przez MAVEN. Wynik? Znaleziono tylko jedno zdarzenie o krystalicznie czystej charakterystyce fali świstowej. Sygnał ten trwał zaledwie 0,4 sekundy i obejmował częstotliwości do 110 Hz. Modelowanie teoretyczne potwierdziło, że fala ta mogła przemieścić się z powierzchni planety aż do wysokości, na której znajdowała się sonda.
Tak niska wykrywalność wynika z niezwykle rygorystycznych warunków, jakie muszą zostać spełnione, aby detekcja była możliwa. Po pierwsze, sonda musi znajdować się dokładnie nad obszarem, gdzie lokalne pole magnetyczne jest ustawione pionowo względem powierzchni. Po drugie, pomiar musi nastąpić po nocnej stronie planety, gdzie warunki jonosferyczne sprzyjają propagacji fal. Statystyka pokazuje skalę trudności: zaledwie 1% wszystkich pomiarów (679 próbek) wykonano w miejscach o odpowiednim nachyleniu pola magnetycznego, a tylko 290 z nich zarejestrowano w optymalnych warunkach nocnych. To sprawia, że przechwycenie fali przez MAVEN można porównać do trafienia „szóstki” w kosmicznej loterii.
Dlaczego to odkrycie jest tak istotne?
Potwierdzenie istnienia zjawisk przypominających błyskawice na Marsie ma fundamentalne znaczenie dla planetologii porównawczej oraz planowania przyszłych misji załogowych. Wyładowania elektryczne wpływają na chemię atmosfery, mogąc prowadzić do powstawania związków takich jak nadchlorany, które są istotne z punktu widzenia astrobiologii i potencjalnego życia mikrobiologicznego. Dla inżynierów projektujących lądowniki i habitaty, informacja o aktywności elektrycznej pyłu jest kluczowa dla zapewnienia bezpieczeństwa systemów elektronicznych na powierzchni.
Dzięki temu, że sonda MAVEN znalazła się we właściwym miejscu i o właściwym czasie, nauka zyskała kolejny element układanki dotyczącej ewolucji planetarnej. Choć marsjańskie „pioruny” pozostają zjawiskiem niezwykle ulotnym i trudnym do uchwycenia, ich obecność udowadnia, że Czerwona Planeta wciąż skrywa przed nami dynamiczne i gwałtowne procesy, które dopiero zaczynamy rozumieć.
Źródło: Science Advances