ExoMars spot unieke groene gloed rondom de rode planeet
ESA’s ExoMars Trace Gas Orbiter heeft een gloeiende groene zuurstof ontdekt in de atmosfeer van Mars – de eerste keer dat deze emissie rondom een andere planeet dan de aarde is gezien.
Op aarde wordt gloeiende zuurstof gevormd gedurende poollicht wanneer energetische elektronen uit de interplanetaire ruimte de bovenste atmosfeer raken. Deze door zuurstof aangedreven uitstoot van licht geeft het poollicht zijn mooie en karakteristieke groene tint.
Het noorderlicht is echter maar één manier waarop planetaire atmosferen oplichten. De atmosferen van planeten, waaronder de aarde en Mars, gloeien zowel overdag als 's nachts voortdurend als het zonlicht in wisselwerking staat met atomen en moleculen in de atmosfeer. Dag- en nachtgloed wordt veroorzaakt door enigszins andere mechanismen: nachtgloed treedt op wanneer gebroken moleculen hercombineren, terwijl daggloed ontstaan wanneer het zonlicht direct atomen en moleculen wekt zoals stikstof en zuurstof.
Op aarde is groene nachtgloed nogal zwak, en is daarom het beste te zien vanuit een ‘randperspectief’ – zoals weergegeven op vele spectaculaire beelden genomen door astronauten aan boord van het internationale ruimtestation (ISS). Deze zwakheid kan een probleem zijn bij het zoeken rond andere planeten, aangezien hun heldere oppervlakken deze kunnen verdringen.
Deze groene gloed is nu voor het eerst ontdekt op Mars door de ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), die sinds oktober 2016 om Mars cirkelt.
“Een van de helderste emissies gezien op aarde is afkomstig van nachtgloed. In het bijzonder van zuurstofatomen die een bepaalde golflengte van licht uitzenden die nog nooit op een andere planeet is gezien,” zegt Jean-Claude Gérard van de Universiteit van Luik (België) en hoofdauteur van de nieuwe studie gepubliceerd in Nature Astronomy.
“Deze emissie wordt echter al ongeveer 40 jaar voorspeld op Mars – en dankzij TGO hebben we die gevonden.”
Jean-Claude en collega's hebben deze emissie kunnen waarnemen met behulp van een speciale observatiemodus van de TGO. Een van de geavanceerde instrumenten van de satelliet, bekend als NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) met inbegrip van de ultraviolet en zichtbare spectrometer (UVIS), kan in diverse configuraties waarnemen, waarvan één zijn instrumenten direct naar beneden richt op het Martiaanse oppervlak – ook wel het nadir genoemd.
“Voorgaande observaties hebben geen enkele groene gloed op Mars waargenomen, dus hebben wij besloten om het nadir van de UVIS te heroriënteren naar de ‘rand’ van Mars, vergelijkbaar met het perspectief welke te zien is op beelden van de aarde genomen vanaf het ISS,” voegt coauteur Ann Carine Vandaele van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie en NOMAD-hoofdonderzoeker toe.
Jean-Claude, Ann Carine en collega’s hebben tussen 24 april en 1 december 2019 NOMAD-UVIS gebruikt om per baan twee keer hoogtes te scannen, variërend van 20 tot 400 kilometer van het Martiaanse oppervlak. Bij het analyseren hebben zij in alle datasets groene zuurstofemissie gevonden.
“Deze emissie was het sterkst bij een altitude van circa 80 kilometer en varieerde afhankelijk van de veranderende afstand tussen Mars en de zon,” voegt Ann Carine toe.
Het bestuderen van de gloed van planetaire atmosferen kan een rijkdom aan informatie bieden over de samenstelling en dynamiek van een atmosfeer, en onthullen hoe energie is opgeslagen in zonlicht en zonnewind – de stroom aan geladen deeltjes afkomstig van onze ster.
Om deze groene gloed op Mars beter te begrijpen en te vergelijken met wat we rond onze eigen planeet zien, hebben Jean-Claude en collega’s zich verder verdiept in de vorming ervan.
“We hebben deze emissie nagebootst en vastgesteld dat deze meestal wordt geproduceerd als kooldioxide, oftewel CO2, en wordt opgesplitst in de samenstellende delen: koolmonoxide en zuurstof,” zegt Jean-Claude. “We zagen de resulterende zuurstofatomen gloeien in zowel zichtbaar als ultraviolet licht.”
Het tegelijkertijd vergelijken van deze twee soorten emissie toonde dat de zichtbare emissie 16,5 keer intenser was dan de ultraviolet.
“De observaties op Mars komen overeen met eerdere theoretische modellen, maar niet met de huidige gloed de we rond de aarde hebben gezien, waar de zichtbare uitstoot veel zwakker is,” voegt Jean-Claude toe. “Dit suggereert dat er meer te leren valt over hoe zuurstofatomen zich gedragen, wat enorm belangrijk is voor onze kennis van atoom- en kwantumfysica.”
Dit inzicht is essentieel voor het karakteriseren van planetaire atmosferen en samenhangende fenomenen – zoals noorderlicht. Door het ontcijferen van de structuur en het gedrag van deze groene gloedlaag van de atmosfeer van Mars, kunnen wetenschappers inzicht verkijgen in een hoogtebereik welke grotendeels onontdekt is gebleven, en volgen hoe deze verandert wanneer de zonactiviteit verandert en Mars langs zijn baan rond onze ster reist.
“Dit is de eerste keer dat deze belangrijke emissie is ontdekt rondom een andere planeet dan de aarde en markeert de eerste wetenschappelijke publicatie gebaseerd op observaties van het UVIS-kanaal van het NOMAD-instrument aan boord van de ExoMars Trace Gas Orbiter,” benadrukt Håkan Svedhem, ESA’s TGO-projectwetenschapper.
“Het toont de bijzondere hoge sensitiviteit en optische kwaliteit van het NOMAD-instrument. Dit is vooral waar gezien het feit dat deze studie de dagzijde van Mars heeft verkend, welke veel helderder is dan de nachtzijde, wat het nog moeilijker maakt om de zwakke emissie te zien.”
Het begrijpen van de eigenschappen van de atmosfeer van Mars is niet alleen vanuit wetenschappelijk oogpunt interessant, maar is ook essentieel voor het uitvoeren van de missies die we naar de rode planeet sturen. Atmosferische dichtheid heeft bijvoorbeeld direct invloed op de weerstand die wordt ervaren door baansatellieten en door de parachutes die worden gebruikt om sondes naar het Martiaanse oppervlak te sturen.
“Deze soort remote-sensing observatie, gekoppeld aan in situ metingen op hogere altitudes, helpt ons te voorspellen hoe de Martiaanse atmosfeer zal reageren op seizoensveranderingen en variaties van zonneactiviteit,” voegt Håkan toe. “Het voorspellen van veranderingen in atmosferische dichtheid is in het bijzonder van belang voor aankomende missies, waaronder de ExoMars 2022 missie die een rover en surface science platform zal sturen ter bestudering van het oppervlak van de rode planeet.”
Meer informatie:
“Detection of green line emission in the dayside atmosphere of Mars from NOMAD-TGO observations" door J.-C. Gérard et al. (2020) is gepubliceerd in Nature Astronomy.
ExoMars is een gezamenlijke inspanning van het Europese ruimtevaartagentschap en Roscosmos.
Het NOMAD-experiment wordt geleid door het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (IASB‐ BIRA), geassisteerd door Co‐PI teams uit Spanje (IAA‐CSIC), Italië (INAF‐IAPS) en het Verenigd Koninkrijk (Open University). Dit project erkent financiering door het Belgische Federaal Wetenschapsbeleid (Belspo), met de financiële en contractuele coördinatie door ESA’s Prodex Office, de Spaanse MICINN via het eigen Plan Nacional, en de Britse en Italiaanse ruimtevaartagentschappen.
Voor meer informatie, gelieve contact op te nemen met:
Jean-Claude Gérard
Laboratory for Planetary and Atmospheric Physics (LPAP)
Universiteit van Luik (België)
E-mail: JC.Gerard@uliege.be
Ann Carine Vandaele
ExoMars TGO NOMAD-hoofdonderzoeker
Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie
Brussel, België
E-mail: a-c.Vandaele@aeronomie.be
Håkan Svedhem
ESA TGO-projectwetenschapper
ESA/ESTEC, Nederland
E-mail: H.Svedhem@esa.int
ESA Media Relations
E-mail: media@esa.int