Medan det tidigare misstänktes att det mesta av Mars vatten gick förlorat till rymden, en betydande del – mellan 30 och 90 procent – har gått förlorad på grund av återfuktning av skorpan, enligt en ny studie. En del vatten släpptes ut från det inre via vulkanism, men inte tillräckligt för att fylla på planetens en gång betydande tillgång. Bevis för vattnets öde hittades i förhållandet mellan deuterium och väte i planetens atmosfär och stenar. Kredit:California Institute of Technology
För miljarder år sedan, den röda planeten var mycket mer blå; enligt bevis som fortfarande finns på ytan, rikligt med vatten rann över Mars och bildade pooler, sjöar, och djupa hav. Frågan, sedan, vart tog allt det vattnet vägen?
Svaret:ingenstans. Enligt ny forskning från Caltech och JPL, en betydande del av Mars vatten – mellan 30 och 99 procent – är fångade i mineraler i planetens skorpa. Forskningen utmanar den nuvarande teorin att den röda planetens vatten flydde ut i rymden.
Caltech/JPL-teamet fann att för cirka fyra miljarder år sedan, Mars var hem för tillräckligt med vatten för att ha täckt hela planeten i ett hav omkring 100 till 1, 500 meter djup; en volym som ungefär motsvarar hälften av jordens Atlantiska ocean. Men, en miljard år senare, planeten var lika torr som den är idag. Tidigare, forskare som försökte förklara vad som hände med det strömmande vattnet på Mars hade föreslagit att det flydde ut i rymden, offer för Mars låga gravitation. Även om en del vatten verkligen lämnade Mars på detta sätt, det visar sig nu att en sådan rymning inte kan stå för det mesta av vattenförlusten.
"Atmosfärsflykt förklarar inte helt de data vi har för hur mycket vatten som faktiskt en gång fanns på Mars, säger Caltech Ph.D.-kandidat Eva Scheller (MS '20), huvudförfattare till en artikel om forskningen som publicerades av tidskriften Vetenskap den 16 mars och presenterades samma dag på Lunar and Planetary Science Conference (LPSC). Schellers medförfattare är Bethany Ehlmann, professor i planetarisk vetenskap och biträdande direktör för Keck Institute for Space Studies; Yuk Yung, professor i planetvetenskap och seniorforskare vid JPL; Caltech doktorand Danica Adams; och Renyu Hu, JPL forskare. Caltech hanterar JPL för NASA.
Teamet studerade mängden vatten på Mars över tiden i alla dess former (ånga, flytande, och is) och den kemiska sammansättningen av planetens nuvarande atmosfär och skorpa genom analys av meteoriter samt genom att använda data från Mars rovers och orbiters, tittar särskilt på förhållandet mellan deuterium och väte (D/H).
Vatten består av väte och syre:H 2 O. Alla väteatomer är inte skapade lika, dock. Det finns två stabila isotoper av väte. De allra flesta väteatomer har bara en proton i atomkärnan, medan en liten del (cirka 0,02 procent) existerar som deuterium, eller så kallat "tungt" väte, som har en proton och en neutron i kärnan.
Det lättare vätet (även känt som protium) har lättare att fly från planetens gravitation ut i rymden än dess tyngre motsvarighet. På grund av detta, flykten av en planets vatten via den övre atmosfären skulle lämna en tydlig signatur på förhållandet mellan deuterium och väte i planetens atmosfär:det skulle finnas en överdimensionerad del av deuterium kvar.
Dock, förlusten av vatten enbart genom atmosfären kan inte förklara både den observerade signalen deuterium till väte i Mars atmosfär och stora mängder vatten i det förflutna. Istället, studien föreslår att en kombination av två mekanismer – infångningen av vatten i mineraler i planetens skorpa och förlusten av vatten till atmosfären – kan förklara den observerade deuterium-till-väte-signalen i Mars atmosfär.
När vatten interagerar med sten, kemisk vittring bildar leror och andra vattenhaltiga mineraler som innehåller vatten som en del av sin mineralstruktur. Denna process sker på jorden såväl som på Mars. Eftersom jorden är tektoniskt aktiv, gammal skorpa smälter ständigt in i manteln och bildar ny skorpa vid plattgränserna, återvinna vatten och andra molekyler tillbaka till atmosfären genom vulkanism. Mars, dock, är mestadels tektoniskt inaktiv, och så "torkningen" av ytan, när det väl inträffar, är permanent.
"Atmosfärisk flykt hade helt klart en roll i vattenförlust, men fynd från det senaste decenniet av Mars-uppdrag har pekat på det faktum att det fanns denna enorma reservoar av gamla hydratiserade mineraler vars bildning säkerligen minskade vattentillgången över tiden, säger Ehlmann.
"Allt detta vatten beslagtogs ganska tidigt, och sedan aldrig cyklade tillbaka, " säger Scheller. Forskningen, som förlitade sig på data från meteoriter, teleskop, satellitobservationer, och prover analyserade av rovers på Mars, illustrerar vikten av att ha flera sätt att undersöka den röda planeten, hon säger.
Ehlmann, Hu, och Yung samarbetade tidigare i forskning som försöker förstå Mars beboelighet genom att spåra kolets historia, eftersom koldioxid är den huvudsakliga beståndsdelen i atmosfären. Nästa, teamet planerar att fortsätta att använda isotopiska och mineralsammansättningsdata för att bestämma ödet för kväve- och svavelhaltiga mineraler. Dessutom, Scheller planerar att fortsätta att undersöka processerna genom vilka Mars ytvatten förlorades till jordskorpan med hjälp av laboratorieexperiment som simulerar vittringsprocesser på mars, samt genom observationer av forntida skorpa av Perseverance-rovern. Scheller och Ehlmann kommer också att hjälpa till i Mars 2020-operationer för att samla in stenprover för att återvända till jorden som gör det möjligt för forskarna och deras kollegor att testa dessa hypoteser om orsakerna till klimatförändringarna på Mars.
Pappret, med titeln "Långtidstorkning av Mars orsakad av lagring av vattenvolymer i havsskala i skorpan, " publicerad i Science den 16 mars 2021.
