Noin 4 miljardia vuotta sitten Mars näytti paljon erilaiselta kuin nykyään. Ensinnäkin sen ilmapiiri oli paksumpi ja lämpimämpi, ja nestemäinen vesi virtasi sen pinnan yli. Tähän sisältyi jokia, seisovia järviä ja jopa syvä valtameri, joka peitti suuren osan pohjoisesta pallonpuoliskosta. Todisteita tästä lämpimästä, vetisestä menneisyydestä on säilynyt kaikkialla planeetalla järvien, jokilaaksojen ja jokien suistojen muodossa.
Tiedemiehet ovat jo jonkin aikaa yrittäneet vastata yksinkertaiseen kysymykseen: mihin kaikki se vesi katosi? Pakeniko se avaruuteen sen jälkeen, kun Mars menetti ilmakehänsä, vai vetäytyikö se jonnekin? Mukaan uusi tutkimus Caltechin ja NASA:n Jet Propulsion Laboratoryn (JPL) mukaan 30–90 % Marsin vedestä meni maan alle. Nämä havainnot ovat ristiriidassa laajalti hyväksytyn teorian kanssa, jonka mukaan Mars menetti vedensä avaruuteen aikojen kuluessa.
Tutkimusta johti tohtori Eva Scheller. ehdokas klo California Institute of Technology (Caltech). Häneen liittyi Caltechin professori Bethany Ehlmann, joka on myös apulaisjohtaja Keck Institute for Space Studies ; Caltechin professori Yuk Yung, NASA JPL:n vanhempi tutkija; Caltechin jatko-opiskelija Danica Adams; ja JPL-tutkija Renyu Hu.
Taiteilijan mielikuva virtaavasta vedestä Marsissa. Luotto: Kevin M. Gill
Kahden viime vuosikymmenen aikana NASA ja muut avaruusjärjestöt ovat lähettäneet yli tusinaa robottitutkijaa Punaiselle planeetalle luonnehtimaan sen geologiaa, ilmastoa, pintaa, ilmakehää ja evoluutiota. Prosessissa he oppivat, että Marsin pinnalla oli kerran tarpeeksi vettä peittämään koko planeetan 100–1500 metrin syvyisessä valtameressä – tilavuus vastaa puolta Atlantin valtamerestä.
3 miljardia vuotta sitten Marsin pintavesi oli kadonnut ja maisemasta tuli nykyinen (jääkylmä ja kuivunut). Ottaen huomioon, kuinka paljon vettä siellä kerran virtasi, tutkijat ihmettelivät, kuinka se saattoi kadota niin perusteellisesti. Viime aikoihin asti tiedemiehet teoriassa, että ilmakehän pako oli avain, jossa vesi hajoaa kemiallisesti ja häviää sitten avaruuteen.
Tämä prosessi tunnetaan fotodissosiaationa, jossa auringonsäteilylle altistuminen hajottaa vesimolekyylit vedyksi ja hapeksi. Tässä vaiheessa teorian mukaan Marsin alhainen painovoima mahdollisti sen irrottamisen ilmakehästä aurinkotuulen vaikutuksesta. Vaikka tällä mekanismilla on varmasti ollut roolinsa, tutkijat ovat päätyneet siihen, että se ei voi selittää suurinta osaa Marsin kadonneesta vedestä.
Taiteilijan konsepti, joka kuvaa Marsin varhaista ympäristöä (oikealla) verrattuna Marsin nykyiseen kylmään, kuivaan ympäristöön (vasemmalla). Kuvan ansiot: NASAn Goddard Space Flight Center
Tutkimuksensa vuoksi ryhmä analysoi Marsin meteoriiteista, rovereista ja kiertoradoista saatuja tietoja määrittääkseen, kuinka deuteriumin ja vedyn välinen suhde (D/H) muuttui ajan myötä. He myös analysoivat Marsin ilmakehän ja maankuoren koostumuksen nykyään, mikä antoi heille mahdollisuuden rajoittaa sitä, kuinka paljon vettä Marsissa oli ajan mittaan.
Deuterium (alias 'raskas vesi') on vakaa vedyn isotooppi, jonka ytimessä on sekä protoni että neutroni, kun taas normaali vety (protium) koostuu yhdestä protonista, jota kiertää yksi elektroni. Tämä raskaampi isotooppi muodostaa pienen osan vedystä tunnetussa universumissa (noin 0,02 %), ja sen on vaikeampi irtautua planeetan painovoimasta ja paeta avaruuteen.
Tästä johtuen planeetan veden häviäminen avaruuteen jättäisi ilmakehään ilmaisevan merkin normaalia suuremman deuteriumtason muodossa. Tämä on kuitenkin ristiriidassa Marsin ilmakehässä havaitun deuteriumin ja protiumin suhteen kanssa, minkä vuoksi Scheller ja hänen kollegansa ehdottavat, että planeetankuoressa olevat mineraalit absorboivat suuren osan vedestä. Kuten Ehlmann selitti tuoreessa Caltechissa lehdistötiedote :
'Ilmakehän pakolla oli selvästi osansa veden häviämisessä, mutta Mars-lentojen viimeisen vuosikymmenen havainnot ovat osoittaneet, että siellä oli tämä valtava muinaisten hydratoituneiden mineraalien säiliö, jonka muodostuminen varmasti vähensi veden saatavuutta ajan myötä.'
Jezero Crater on Mars on NASAn Mars 2020 -mönkijän laskeutumispaikka. Kuvan ansiot: NASA/JPL-Caltech/ASU
Maapallolla virtaava vesi säätelee kiviä muodostaen savea ja vesipitoisia mineraaleja, jotka sisältävät vettä osana mineraalirakennettaan. Koska maapallo on tektonisesti aktiivinen, hydratoituneita mineraaleja kiertää loputtomasti vaipan ja ilmakehän välillä (vulkanismin kautta). Myös savea ja hydratoituneita mineraaleja on löydetty Marsista, mikä on merkki siitä, että siellä on kerran virtannut vettä.
Mutta koska Mars on tektonisesti inaktiivinen (suurin osa), sen pintavesi eristettiin varhain, eikä sitä koskaan pyöräilty takaisin ulos. Näin ollen pinnan pysyvällä kuivumisella säilyivät piirteet, jotka osoittavat veden aiemman läsnäolon. Samaan aikaan merkittävä osa vedestä säilyi imeytymällä pinnan alle.
Tämä tutkimus ei käsittele vain kysymystä siitä, kuinka Marsin vesi katosi miljardeja vuosia sitten. Se voi myös olla hyvä uutinen tuleville miehistöille Marsiin, jotka riippuvat paikallisesti kerätystä jäästä ja vedestä. Aiemmin kirjoittajat Ehlmann, Huh ja Yung tekivät yhteistyötä tämän tutkimuksen parissa jäljitti hiilen historiaa Marsissa – koska hiilidioksidi on Marsin ilmakehän pääainesosa.
Jatkossa tiimi aikoo jatkaa isotooppi- ja mineraalikoostumustietojen analysointia selvittääkseen, mitä typpeä ja rikkiä sisältävistä mineraaleista Marsissa on tapahtunut. Lisäksi Scheller aikoo laajentaa tutkimustaan siitä, mitä Marsin vedestä tuli suorittamalla laboratoriokokeita, jotka simuloivat Marsin sääprosesseja ja havainnoimalla muinaista maankuorta Jezeron kraatterissa (jossa Sinnikkyyttä tutkitaan parhaillaan).
Taiteilijan mielikuva Perseverance-mönkijästä Marsissa. Kiitos: NASA/JPL-Caltech
Schellerin ja Ehlmannin on myös tarkoitus avustaa laitoksen toiminnassaSinnikkyyttärover, kun on aika kerätä kivi- ja poranäytteitä. Nämä palautetaan Maahan myöhemmällä NASA-ESA-operaatiolla, jossa tutkijat voivat tutkia niitä. Scheller, Ehlmann ja heidän kollegansa voivat tämän avulla testata teorioitaan Marsin ilmastonmuutoksesta ja siitä, mikä sitä ohjaa.
Tutkimus, joka kuvaa heidän tuloksiaan, ilmestyi äskettäin lehdessäTiede, otsikolla ' Marsin pitkäaikainen kuivuminen, joka johtuu valtameren mittakaavan vesimäärien sitoutumisesta maankuoreen ”, ja se esiteltiin 16. maaliskuutathaikana Kuu- ja planeettatieteen konferenssi (LPSC). COVID-rajoitusten vuoksi tämän vuoden konferenssi oli virtuaalinen ja pidettiin 15. maaliskuutath19 astith.
Tutkimus tehtiin mahdolliseksi tuella NASA:n asuttavat maailmat palkinto, a NASA Earth and Space Science Fellowship (NESSF) -palkinto ja a NASAn tulevaisuudentutkija NASA:n maa- ja avaruustieteessä ja -tekniikassa (FINEST) -palkinto.
Lisälukemista: Caltech , Caltechin kirjoittajat