Primeros resultados del Satélite para el estudio de Gases Traza (TGO) de ExoMars

Los nuevos resultados, que pueden leerse en dos artículos publicados hoy en la revista Nature, fueron presentados en una rueda de prensa exclusiva en la Unión Europea de Geociencias en Viena. 

Un tercer artículo, enviado a la revista Actas de la Academia de Ciencias de Rusia, muestra el mapa más detallado jamás elaborado de hielo de agua o minerales hidratados en la subsuperficie poco profunda de Marte. 

El Satélite para el estudio de Gases Traza (TGO) de la misión conjunta ESA-Roscosmos ExoMars llegó al Planeta Rojo en octubre de 2016 y pasó más de un año ejecutando la técnica de aerofrenado necesaria para alcanzar su órbita científica de dos horas, a 400 km de distancia de la superficie marciana. 

“Estamos muy satisfechos con los primeros resultados del satélite”, señala Håkan Svedhem, científico del proyecto TGO de la ESA. 

“Nuestros instrumentos están funcionando realmente bien y ya en los primeros meses de observación estaban proporcionando datos excelentes, a un nivel muy superior a lo logrado hasta ese momento”.

La misión científica principal del TGO comenzó a finales de abril de 2018, apenas un par de meses antes de que comenzara la tormenta de polvo global que acabó con el robot Opportunity de la NASA tras 15 años de exploración de la superficie del planeta.

Los satélites en órbita, en cambio, fueron capaces de efectuar observaciones únicas. El TGO siguió la aparición y el desarrollo de la tormenta, y monitorizó cómo el incremento de polvo afectó al vapor de agua de la atmósfera, algo importante para comprender la historia del agua en Marte a lo largo del tiempo.

Aprovechando al máximo la tormenta de polvo

Dos espectrómetros a bordo de la nave, NOMAD  y ACS, realizaron las primeras mediciones de alta resolución de la atmósfera durante una ocultación solar, observando la forma en que la luz solar es absorbida en la atmósfera para revelar las huellas químicas de sus componentes. 

De esta forma fue posible representar la distribución del vapor de agua y del agua “semipesada” (con un átomo de hidrógeno reemplazado por un átomo de deuterio, una forma de hidrógeno con un neutrón adicional) desde un punto cercano a la superficie marciana hasta una altitud por encima de 80 km. Los nuevos resultados hacen un seguimiento de la influencia del polvo de la atmósfera en el agua, junto con el escape de átomos de hidrógeno al espacio. 

“En las latitudes septentrionales vimos nubes de polvo, por ejemplo, a altitudes de unos 25-40 km que no estaban allí antes, mientras que en latitudes meridionales vimos capas de polvo que se desplazaban a altitudes superiores”, explica Ann Carine Vandaele, investigadora principal del instrumento NOMAD en el Real Instituto de Aeronomía Espacial de Bélgica.

“El enriquecimiento del vapor de agua en la atmósfera se produjo notablemente rápido, en tan solo unos días durante la formación de la tormenta, lo que indica una reacción rápida de la atmósfera a la tormenta de polvo”.

Estas observaciones coinciden con los modelos de circulación global. El polvo absorbe la radiación solar, calentando el gas circundante y haciendo que se expanda, lo que a su vez hace que se redistribuyan otros componentes (como el agua) a lo largo de un rango vertical más amplio. También se establece un mayor contraste de temperatura entre las regiones ecuatoriales y polares, lo que refuerza la circulación atmosférica. Al mismo tiempo, gracias a las temperaturas más altas, se forman menos nubes de hielo de agua, que normalmente confinarían el vapor de agua a altitudes más bajas. 

Los equipos también observaron por primera vez agua semipesada al mismo tiempo que vapor de agua, lo que proporciona información clave sobre los procesos que controlan la cantidad de átomos de hidrógeno y deuterio que escapan al espacio. Esto también significa que es posible derivar la relación deuterio-hidrógeno (D/H), un marcador importante para la evolución del agua presente en Marte. 

“Vemos que el agua, deuterada o no, es muy sensible a la presencia de nubes de hielo, que le impiden alcanzar las capas atmosféricas más elevadas. Durante la tormenta, el agua alcanzó altitudes muy superiores —apunta Ann Carine—. Esto es algo que los modelos habían predicho hacía mucho tiempo, pero esta es la primera vez que hemos conseguido observarlo”. 

Dada la predicción de que la relación D/H cambiará con la estación y la latitud, se espera que las mediciones regionales y estacionales del TGO ofrezcan más pruebas de los procesos en juego. 

El misterio del metano se complica

Los dos instrumentos complementarios también comenzaron a medir gases traza en la atmósfera marciana. Estos gases ocupan menos de un uno por ciento de la atmósfera por volumen, y necesitan técnicas de medición ultraprecisas para determinar su huella química exacta en la composición. La presencia de gases traza se suele medir en “partes por mil millones en volumen” (ppbv); así, por ejemplo, el metano de la Tierra mide 1.800 ppbv, lo que quiere decir que por cada mil millones de moléculas, 1.800 son de metano. 

El metano es de especial interés para los científicos que estudian Marte, pues puede ser un signo de vida o de procesos geológicos. En la Tierra, por ejemplo, el 95 % del metano en la atmósfera se debe a procesos biológicos. Y como la radiación solar lo destruye en cuestión de cientos de años, cualquier detección actual de esta molécula implica que fue liberada no hace mucho, aun cuando el metano en sí se hubiera producido hace miles de millones de años y hubiera permanecido atrapado en depósitos subterráneos hasta ahora. Además, los gases traza se mezclan a diario y de manera eficiente cerca de la superficie del planeta; según los modelos globales de circulación de los vientos, el metano tardaría pocos meses en mezclarse de forma uniforme alrededor del planeta. 

La presencia de metano en la atmósfera marciana ha sido objeto de un intenso debate, ya que las detecciones han sido muy esporádicas, tanto en el tiempo como en el espacio, y a menudo se encontraban en el umbral de los límites de detección de los instrumentos. La sonda Mars Express de la ESA contribuyó con una de las primeras mediciones en órbita en 2004, indicando una presencia de metano de 10 ppbv. 

Telescopios terrestres también han informado de no detecciones y mediciones transitorias de hasta 45 ppbv aproximadamente, mientras que el róver Curiosity de la NASA, que lleva explorando el cráter Gale desde 2012, ha sugerido un nivel base de metano que varía según las estaciones entre 0,2 y 0,7 ppbv aproximadamente, con algunos picos superiores. Más recientemente, Mars Express observó un pico de metano un día después de uno de los máximos leídos por Curiosity.

Los nuevos resultados del TGO ofrecen el análisis más exhaustivo hasta la fecha, con un límite superior de 0,05 ppbv, es decir, entre diez y cien veces menos metano que todas las detecciones registradas anteriormente. El límite de detección más preciso, de 0,012 ppbv, se alcanzó a 3 km de altitud. 

Como límite superior, 0,05 ppbv aún equivale a un máximo de 500 toneladas de metano emitido a lo largo de un periodo de 300 años previsto para la molécula si tenemos en cuenta únicamente los procesos de destrucción atmosférica, pero si lo consideramos disperso en toda la atmósfera es un número extremadamente bajo. 

“Contamos con unos estupendos datos de alta precisión que registran signos de agua dentro del rango de donde esperaríamos ver metano, pero solo podemos dar cuenta de un modesto límite superior que sugiere una ausencia global de metano”, advierte Oleg Korablev, del Instituto de Investigación Espacial de la Academia de Ciencias de Rusia en Moscú e investigador principal del instrumento ACS.  

“Las mediciones de alta precisión del TGO no parecen concordar con detecciones anteriores; para que los distintos conjuntos de datos coincidan y sean coherentes con la rápida transición desde las columnas registradas previamente hasta los niveles base aparentemente tan bajos, necesitamos dar con un método que destruya el metano eficazmente cerca de la superficie del planeta”. 

“Igual que la cuestión de la presencia de metano y su procedencia ha sido objeto de un intenso debate, también es interesante preguntarse a dónde va y con qué frecuencia puede desaparecer”, subraya Håkan. 

“No contamos con todas las piezas del rompecabezas, pero por eso estamos aquí con el TGO, efectuando análisis detallados de la atmósfera con los mejores instrumentos disponibles, para entender mejor lo activo que es este planeta, ya sea geológica o biológicamente”.

El mejor mapa del agua de la subsuperficie poco profunda

Mientras el animado debate sobre la naturaleza y la presencia de metano continúa, lo que está claro es que en el pasado hubo agua en Marte, y que aún está presente en forma de hielo o como minerales hidratados. Y donde hubo agua, pudo haber vida. 

Para ayudarnos a comprender la situación y la historia del agua en Marte, FREND, el detector de neutrones del TGO está cartografiando la distribución de hidrógeno en el metro superior de la superficie del planeta. El hidrógeno indica la presencia de agua, ya que es uno de los constituyentes de su molécula. Además, también puede indicar agua absorbida en la superficie o minerales formados en presencia de agua. 

El instrumento invertirá un año marciano (casi dos años terrestres) en llevar a cabo esta tarea para producir las mejores estadísticas y así generar un mapa de la máxima calidad. No obstante, los primeros mapas, presentados al cabo de tan solo unos pocos meses de datos, ya exceden la resolución de las mediciones anteriores.

“En solo 131 días, el instrumento ya había producido un mapa con una resolución superior a la de los 16 años de datos de su predecesor a bordo de la sonda Mars Odyssey de la NASA, y está previsto que siga mejorando”, augura Igor Mitrofanov, principal investigador del instrumento FREND del Instituto de Investigación Espacial de la Academia de Ciencias de Rusia en Moscú. 

Más allá del permafrost, obviamente rico en agua, de las regiones polares, el nuevo mapa ofrece detalles más precisos de regiones localizadas “húmedas” y “secas”. También destaca materiales ricos en agua en regiones ecuatoriales que podrían implicar la presencia de permafrost rico en agua en la actualidad, o bien la situación de los polos del planeta en el pasado. 

“Los datos están mejorando continuamente y acabaremos contando con lo que serán los datos de referencia para cartografiar materiales ricos en agua en la subsuperficie poco profunda de Marte, cruciales para comprender la evolución general del planeta y dónde se encuentra el agua presente en la actualidad —añade Igor—. Esto es importante para la ciencia en Marte, pero también es valioso para el futuro de la exploración marciana”. 

“Ya hemos disfrutado de bellas imágenes y vistas estéreo de Marte gracias al sistema de captura de imágenes del TGO y ahora estamos encantados de compartir el primer vistazo a los datos procedentes de otros instrumentos —concluye Håkan—. El futuro es prometedor en cuanto a nuestra contribución a los numerosos y fascinantes aspectos de la ciencia marciana, desde la distribución del agua subsuperficial hasta los procesos superficiales activos y los misterios de la atmósfera marciana”.

Notas para los editores

El artículo  “Early observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars” de O. Korablev et al., está publicado en la revista Nature

El artículo “Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter” de A.C Vandaele et al, está publicado en la revista Nature.

El artículo “Neutron Mapping of Mars with High Spatial Resolution: First Results of FREND experiment of the ExoMars Project” de I.G. Mitrofanov et al., está aceptado para su publicación en las Actas de la Academia de Ciencias de Rusia, Rama de Ciencias Físicas.

Los resultados fueron presentados durante una rueda de prensa en EGU General Assembly. Viena, Austria. Aquí se puede ver la repetición de la rueda de prensa 

Para más información:

Håkan Svedhem
ESA ExoMars TGO project scientist
Email:hakan.svedhem@esa.int

Ann Carine Vandaele 
NOMAD principal investigator
Royal Belgian Institute for Space Aeronomy, Belgium
Email: a-c.vandaele@aeronomie.be

Oleg Korablev
ACS principal investigator
Space Research Institute, Russian Academy of Sciences
Moscow, Russia
Email:korab@iki.rssi.ru 

Igor Mitrofanov
FREND principal investigator
Space Research Institute, Russian Academy of Sciences
Moscow, Russia
Email: mitrofanov@np.cosmos.ru 

Markus Bauer
ESA Science and Robotic Exploration Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954

Email: markus.bauer@esa.int