ExoMars ontdekt nieuw gas en spoort waterverlies op Mars op
Zeezout dat in het stoffige oppervlak van Mars is ingebed en in de atmosfeer van de planeet is geslingerd, heeft geleid tot de ontdekking van waterstofchloride. Dit is de eerste keer dat de ExoMars Trace Gas Orbiter van ESA en Roscosmos een nieuw gas ontdekt. Het ruimtevaartuig levert ook nieuwe informatie over het waterverlies op Mars.
De zoektocht naar atmosferische gassen die verband houden met biologische of geologische activiteit is belangrijk bij de verkenning van Mars. Ook inzicht krijgen in de vroegere en huidige watervoorraad van de planeet is een belangrijke stap om te bepalen of er ooit leven op Mars kan zijn geweest en of er waterreservoirs toegankelijk kunnen zijn voor toekomstige menselijke verkenningsmissies. Twee nieuwe resultaten van het ExoMars-team, vandaag gepubliceerd in Science Advances, onthullen een geheel nieuwe klasse van chemische eigenschappen en geven meer inzicht in hoe de seizoensgebonden veranderingen en interacties tussen het oppervlak en de atmosfeer de drijvende krachten zijn van de nieuwe waarnemingen.
Nieuwe chemische eigenschappen
“Wij hebben voor het eerst waterstofchloride ontdekt op Mars. Dit is de eerste keer dat een halogeengas is ontdekt in de atmosfeer van Mars. Dit duidt op een nieuwe chemische cyclus,” zegt Kevin Olsen van de Universiteit van Oxford, VK, één van de hoofdwetenschappers van de ontdekking.
Waterstofchloridegas, of HCl, bevat een waterstof- en een chlooratoom. De wetenschappers van Mars waren steeds op zoek naar chloor- of zwavelhoudende gassen omdat zij mogelijke indicatoren van vulkanische activiteit zijn. Maar de aard van de waarnemingen over waterstofchloride - het feit dat het op hetzelfde tijdstip op zeer afgelegen plaatsen werd waargenomen en het ontbreken van andere gassen die bij vulkanische activiteit normaal gezien aanwezig zouden zijn - wijst op een andere bron. De ontdekking suggereert een geheel nieuwe interactie tussen het oppervlak en de atmosfeer, aangedreven door de stofseizoenen op Mars die nog niet eerder onderzocht waren.
Access the video
In een proces dat sterk lijkt op dat op aarde worden zouten in de vorm van natriumchloride (overblijfselen van verdampte oceanen en ingebed in het stoffige oppervlak van Mars) door winden in de atmosfeer opgetild. Zonlicht warmt de atmosfeer op waardoor stof en waterdamp dat vrijkomt van de ijskappen, opstijgen.Het zoute stof reageert met het atmosferisch water en er komt chloor vrij dat op zijn beurt weer reageert met waterstofmoleculen en zo waterstofchloride vormt. Door verdere reacties zou het chloor- of zoutzuurrijke stof naar het oppervlak kunnen terugkeren, misschien in de vorm van perchloraten, een soort zout gevormd door zuurstof en chloor.
“Je hebt waterdamp nodig om chloor vrij te maken en je hebt de bijproducten van water (waterstof) nodig om waterstofchloride te vormen. Water is cruciaal bij deze chemische verbindingen,” zegt Kevin. “We merken ook een wisselwerking met het stof op: we zien meer waterstofchloride als de stofactiviteit toeneemt, een proces dat verband houdt met de seizoensgebonden opwarming van het zuidelijk halfrond.”
Het team ontdekte het gas voor het eerst tijdens de wereldwijde stofstorm in 2018. Toen verscheen het gelijktijdig op zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond en verdween het verrassend snel weer aan het einde van de seizoensgebonden stoffige periode. Het team kijkt nu al naar de data die tijdens het volgende stofseizoen zijn verzameld en zien de HCl weer stijgen.
“Het is ongelooflijk bevredigend om te zien hoe onze gevoelige instrumenten een nooit eerder gezien gas in de atmosfeer van Mars detecteren,” zegt Oleg Korablev, hoofdonderzoeker van het Atmospheric Chemistry Suite-instrument dat de ontdekking deed. “Onze analyse verbindt het ontstaan en de afname van het waterstofchloridegas met het oppervlak van Mars.”
Uitgebreide laboratoriumproeven en nieuwe wereldwijde atmosferische simulaties zullen nodig zijn om de interactie tussen het chloor, het oppervlak en de atmosfeer beter te begrijpen, samen met voortgezette waarnemingen op Mars om te bevestigen dat de stijging en daling van HCl worden aangedreven door de zomer op het zuidelijk halfrond.
“De ontdekking van het eerste nieuwe spoorgas in de atmosfeer van Mars is een belangrijke mijlpaal voor de Trace Gas Orbiter-missie,” zegt Håkan Svedhem, projectwetenschapper van de ExoMars Trace Gas Orbiter bij ESA. “Dit is de eerste nieuwe klasse gas die is ontdekt sinds de geclaimde waarneming van methaan door de Mars Express van ESA in 2004. Deze waarneming lag aan de basis voor de zoektocht naar andere organische moleculen en leidde uiteindelijk tot de ontwikkeling van de Trace Gas Orbiter-missie, bedoeld voor het detecteren van nieuwe gassen.”
Stijgende waterdamp bevat aanwijzingen voor klimaatevolutie
Behalve nieuwe gassen levert de Trace Gas Orbiter ook een beter inzicht in de manier waarop Mars zijn water is kwijtgeraakt. Dat proces houdt ook verband met de seizoensgebonden veranderingen.
Ooit heeft er vloeibaar water over het oppervlak van Mars gestroomd. Dat blijkt uit de talrijke voorbeelden van oude uitgedroogde valleien en rivierbeddingen. Vandaag de dag zit het meeste ingesloten in de ijskappen en begraven onder de grond. Mars lekt nog steeds water in de vorm van waterstof en zuurstof dat uit de atmosfeer ontsnapt.
Als we de evolutie van het klimaat op Mars willen begrijpen, dan is inzicht in de interactie tussen potentiële waterhoudende reservoirs en hun gedrag per seizoen en op de lange termijn essentieel. Dit kan worden bereikt door onderzoek naar de waterdamp en het ‘halfzwaar’ water (waar één waterstofatoom is vervangen door een deuteriumatoom, een vorm van waterstof met een extra neutron).
Access the video
“De verhouding tussen deuterium en waterstof (D/H) is onze chronometer. Het is een krachtige meetkundige eenheid die ons iets vertelt over de geschiedenis van het water op Mars en hoe het waterverlies in de loop der tijd is geëvolueerd. Dankzij de ExoMars Trace Gas Orbiter kunnen we deze chronometer nu beter begrijpen en kalibreren, en kunnen we testen op mogelijke nieuwe waterreservoirs op Mars,” zegt Geronimo Villanueva van het Goddard Space Flight Center van NASA en hoofdauteur van de paper over de nieuwe ontdekking.
“Dankzij de Trace Gas Orbiter kunnen we het pad van de waterisotopologen nauwkeuriger dan ooit volgen terwijl ze opstijgen in de atmosfeer. Eerdere metingen gaven alleen het gemiddelde over de diepte van de gehele atmosfeer aan. Het is alsof we eerst alleen een 2D-beeld hadden en nu de atmosfeer in 3D kunnen verkennen,” zegt Ann Carine Vandaele, hoofdonderzoeker van het Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD)-instrument dat voor dit onderzoek werd gebruikt.
De nieuwe metingen onthullen dramatische variaties in D/H-verhouding rond de hoogte en het seizoen naarmate het water opstijgt van zijn oorspronkelijke locatie.“De gegevens laten zien dat zodra het water volledig verdampt is, het vooral een gemeenschappelijke grote verrijking in halfzwaar water vertoont en een D/H-verhouding die zes keer groter is dan die van de aarde in alle reservoirs op Mars. Dit bevestigt dat er in de loop der tijd grote hoeveelheden water verloren zijn gegaan,” zegt Giuliano Liuzzi van de American University, het Goddard Space Flight Center van NASA en één van de hoofdwetenschappers van het onderzoek.
De gegevens die ExoMars verzamelde tussen april 2018 en april 2019, toonden ook drie gevallen waarin het waterverlies versnelde uit de atmosfeer: de wereldwijde stofstorm van 2018, een korte maar intense regionale storm in januari 2019 en het vrijkomen van water uit de zuidelijke poolijskap tijdens de zomermaanden, gekoppeld aan seizoensgebonden veranderingen. Een wolk van opstijgende waterdamp tijdens de zuidelijke zomer is van groot belang en zou mogelijkerwijs op seizoens- en jaarbasis water in de bovenste atmosfeer brengen.
Toekomstige gecoördineerde waarnemingen met andere ruimtevaartuigen, waaronder de MAVEN van NASA die zich richt op de bovenste atmosfeer, zullen aanvullende inzichten verschaffen in de evolutie van water gedurende het jaar op Mars.
“De wisselende seizoenen op Mars, en in het bijzonder de relatief hete zomer op het zuidelijk halfrond, lijken de drijvende kracht te zijn achter onze nieuwe waarnemingen, zoals het verhoogde waterverlies in de atmosfeer en de stofactiviteit die verband houdt met de detectie van waterstofchloride, die we in de twee nieuwste studies zien,” voegt Håkan toe. “Dankzij de waarnemingen van de Trace Gas Orbiter kunnen we de atmosfeer van Mars als nooit tevoren onderzoeken.”
Noot voor de redactie
"Transient HCl in the atmosphere of Mars" door Korablev et al, en "Water heavily fractionated as it ascends on Mars as revealed by ExoMars/NOMAD" door G. Villanueva et al worden gepubliceerd in het nummer van Science Advances van 10 februari 2021.
De papers zijn gebaseerd op gegevens die zijn verzameld door de ACS- en NOMAD-instrumenten aan boord van de ExoMars Trace Gas Orbiter van ESA en Roscosmos.
Een nog te verschijnen paper "Seasonal reappearance of HCl in the atmosphere of Mars during the Mars year 35 dusty season" door K. Olsen et al werd goedgekeurd voor publicatie in Astronomy & Astrophysics.
Neem voor meer informatie contact op met:
Oleg Korablev
Hoofdonderzoeker van ExoMars TGO ACS
Instituut voor Ruimteonderzoek van de Russische Academie van Wetenschappen
E-mail: Korab@iki.rssi.ru
Ann Carine Vandaele
Hoofdonderzoeker van ExoMars TGO NOMAD
Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aëronomie
E-mail: a-c.vandaele@aeronomie.be
Kevin Olsen
Departement Fysica, Universiteit van Oxford, VK
E-mail: Kevin.Olsen@physics.ox.ac.uk
Geronimo Villanueva
NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, VS
E-mail: geronimo.villanueva@nasa.gov
Giuliano Liuzzi
American University / NASA Goddard Space Flight Center, VS.
E-mail: giuliano.liuzzi@nasa.gov
Håkan Svedhem
ESA-projectwetenschapper ExoMarsTGO
E-mail: Hakan.Svedhem@esa.int
ESA media relations
Media@esa.int