Mars har förlorat det mesta av sitt en gång rikliga vatten, med små mängder kvar i planetens atmosfär. ESA:s Mars Express avslöjar nu mer om vart detta vatten har tagit vägen, som visar att dess flykt till rymden påskyndas av dammstormar och planetens närhet till solen, och antyder att en del vatten kan ha dragit sig tillbaka under jorden.

Även om det är torrt idag, Mars var troligen en gång en vattentäckt värld som vår egen. Bevis på detta ses i bilder av stora, översvämningsformade utflödeskanaler, floddalar och deltan inhuggna i planetens yta, såväl som i radarobservationer av vätskevattenreservoarer instängda under isen och stoftet på Mars sydpol.

Vatten kan nu bara existera på Mars i form av is eller gas på grund av det låga atmosfärstrycket på planeten, vilket är mindre än 1 % av jordens. Mars har förlorat mycket av sitt tidigare vatten till rymden under de senaste miljarderna åren, och läcker fortfarande vatten från sin atmosfär idag.

Två nya studier, ledd av Anna Fedorova från Ryska vetenskapsakademins rymdforskningsinstitut och Jean-Yves Chaufray från Laboratoire Atmospheres Observations Spatiales, Frankrike, klargör nu hur vatten rör sig igenom och lämnar Mars atmosfär. De avslöjar att denna process påverkas av planetens avstånd från solen och förändringar i dess klimat och väder, inklusive de massiva globala dammstormar som ofta ses på planeten.

Båda studierna använde omfattande, fleråriga datamängder som erhållits av orbiterns SPICAM-instrument (Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars).

"Atmosfären är länken mellan yta och rymd, och så har mycket att berätta om hur Mars har förlorat sitt vatten, " säger Anna. "Vi studerade vattenångan i atmosfären från marken upp till 100 km höjd, en region som ännu inte hade utforskats, över åtta marsår."

Anna och kollegor fann att vattenånga förblev begränsad till under 60 km när Mars var långt från solen men sträckte sig upp till 90 km i höjd när Mars var närmast solen. Över en hel bana, avståndet mellan solen och den röda planeten sträcker sig från 207 miljoner till 249 miljoner km.

Nära solen, de varmare temperaturerna och den intensivare cirkulationen i atmosfären hindrade vattnet från att frysa ut på en viss höjd. "Sedan, den övre atmosfären blir fuktad och mättad med vatten, förklara varför vattenutsläppet ökar under denna säsong – vatten transporteras högre, hjälpa dess flykt till rymden, tillägger Anna.

Under åren när Mars upplevde en global dammstorm blev den övre atmosfären ännu blötare, ackumulerar vatten i överskott på höjder över 80 km.

"Detta bekräftar att dammstormar, som är kända för att värma och störa Mars atmosfär, även leverera vatten till höga höjder, " säger Anna. "Tack vare Mars Express kontinuerliga övervakning, vi kunde analysera de två senaste globala dammstormarna, 2007 och 2018, och jämför vad vi hittade med stormfria år för att identifiera hur stormarna påverkade vattenflykten från Mars."

Detta fynd stöds av forskning ledd av Jean-Yves, som modellerade tätheten av väteatomer i Mars övre atmosfär under två år och utforskade hur detta hängde ihop med vattenflykt.

"Vi jämförde våra resultat med SPICAM-data och fann god överensstämmelse - förutom under dammiga säsongen, när vår modell underskattade hur mycket väte som fanns, " säger Jean-Yves. "Mångt mer vatten strömmar ut genom atmosfären under störda förhållanden än vad modellen förutspått."

Under två marsår, varav en upplevde en dammstorm, Jean-Yves och kollegor uppskattade att graden av vattenförlust varierade med en faktor på cirka 100, belyser den betydande effekt som dammstormar kan ha på Mars vattenförlusthastighet.

Fynden visar att Mars förlorar motsvarande ett globalt två meter djupt vattenlager varje miljard år. Dock, till och med ackumulerat under Mars fyra miljarder år långa historia, denna mängd är otillräcklig för att förklara vart allt Mars vatten har tagit vägen.

"En betydande mängd måste en gång ha funnits på planeten för att förklara de vattenskapade egenskaperna vi ser, " säger Jean-Yves. "Eftersom allt inte har gått förlorat till rymden, våra resultat tyder på att antingen detta vatten har rört sig under jorden, eller att antalet utsläpp av vatten var mycket högre tidigare."

Resultaten från Anna, Jean-Yves och kollegor kompletterar de senaste fynden av ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), som, sedan 2018 och tillsammans med Mars Express, har övervakat fördelningen av vatten efter höjd i Mars atmosfär. Dessa fynd tydde på att Mars hastighet av vattenförlust kan vara kopplad till säsongsmässiga förändringar.

Mars Express arbete för att fastställa Mars vattenförlust stöds också av NASAs MAVEN-uppdrag (Mars Atmosphere and Volatile Evolution), som systematiskt mäter den kemiska sammansättningen av Mars-atmosfären (specifikt, nivåerna av atomärt väte och deuterium, en tung isotop av väte). Sådana fleruppdragsdata kommer att hjälpa till att begränsa inte bara hur vatten för närvarande beter sig utan också den ackumulerade vattenförlusten under Mars historia - avgörande för att ta reda på om Mars vatten har gått under jorden eller till rymden.

"Två nyckelteman i vår pågående utforskning av Mars är planetens utveckling och vattenförlust, och dammstormarnas roll för att forma marsklimatet och atmosfären, säger Dmitrij Titov, ESA:s Mars Express-projektforskare.

"Dessa fynd hjälper oss att förstå de långsiktiga processerna bakom Mars vattenförlust och måla en bild av inte bara dess nuvarande klimatologi, men hur dess klimat har förändrats genom historien. För sådana studier behöver vi den typ av högkvalitativa datamängder som tillhandahålls av SPICAM och även instrumenten ombord på ExoMars TGO. Tillsammans, dessa och andra avancerade uppdrag kommer att fortsätta att avslöja Mars mysterier."

Mars Express lanserades den 2 juni 2003, och har tillbringat över 17 år i omloppsbana på Mars och noggrant övervakat egenskaperna hos planetens atmosfär.