Spridda fickor av magnetism över Mars yta har ett betydande inflytande på planetens övre atmosfär, enligt observationer från ESA:s Mars Express. Att förstå dessa effekter kan vara avgörande för att säkerställa säker radiokommunikation mellan Mars och jorden och, så småningom, mellan upptäcktsresande på planetens yta.

Jordens magnetfält domineras av en enda, stark källa:dynamo djupt under planetens yta. Dock, detsamma kan inte sägas om Mars. Istället för att ha en enda källa av magnetfält, Mars har många.

Den röda planeten har många fickor av stark magnetism instängda i sin skorpa, rester från dess tidigaste dagar. Moderna Mars kan vara känd för sin relativa brist på magnetism, men unga Mars var sannolikt en annan värld; det var nog varmare och blötare, med en tätare atmosfär och en varmare kärna. Forskare tror att den unga planeten också hade ett stort magnetfält, drivs av den cirkulerande rörelsen av smält material i dess kärna (känd som en planetarisk dynamo).

Detta globala fält stängdes av för länge sedan – troligen när kärnan svalnade och stelnade, fryser dynamo på plats – men planeten har fortfarande onormala fläckar av stark kvarvarande magnetism spridd över dess yta, kallas "skorpfält".

Magnetiska minnen från tidiga Mars

Delar av Mars skorpa och berg förblir magnetiserade idag på grund av ett fenomen som kallas "ferromagnetism", som varar även när det externa magnetfältet inte längre är närvarande (som är fallet med Mars).

Mars skorpa kyldes till under en specifik temperatur – känd som Curie-temperaturen – när planetens kärndynamo, och därmed dess magnetfält, var fortfarande aktiv och närvarande, orsakar kvarvarande magnetism att permanent låsas i järnhaltigt (järnhaltigt) material i skorpan. Liknande jordskorpans magnetfält finns också på jorden och månen.

Dessa fält kan senare avlägsnas genom att värma upp material till över Curie-temperaturen – genom stora stötar, till exempel – och sedan låta den svalna igen i frånvaro av ett magnetfält.

Magnetism tros ha utplånats från stora fläckar av marsskorpan på detta sätt, men stora delar av den södra, och mindre delar av norra, Mars halvklot förblir magnetiserat till viss del, med fickor spridda över hela planeten. Dessa jordskorpfält är starka nog att driva särdrag i Mars övre atmosfär som liknar norrskenet på jorden – sådana drag har setts av ESA:s Mars Express).

"De kan vara svaga vad gäller absolut styrka - hundratals nanotesla i den övre atmosfären i genomsnitt, eller mellan 0,1 och 1 procent av fältstyrkan som produceras av jordens dynamo på motsvarande höjd – men Mars jordskorpfält är betydligt starkare än de som finns på jorden eller månen, säger Markus Fraenz från Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland. "Detta indikerar att Mars dynamofält en gång var minst lika starkt som jordens - men för att producera så starka fläckar av kvarvarande jordskorpans magnetisering, den var förmodligen starkare än vår planets någonsin har varit."

Tyvärr har ingen lander eller rover ännu nått dessa platser med stark magnetisering, men omfattande observationer från långlivade orbiters som NASA:s Mars Global Surveyor och ESA:s Mars Express har hjälpt forskare att karakterisera Mars magnetiska miljö.

Mars Express har varit i omloppsbana runt Mars sedan 2003, och har genomfört ett flertal studier med sina MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) och ASPERA-3 (Analyzer of Space Plasmas and Energetic Atoms) instrument för att utforska effekten av dessa jordskorpans fält på Mars jonosfär.

"Mars jordskorpfält verkar starkt kontrollera plasman i planetens övre atmosfär, " säger David Andrews på Svenska Institutet för rymdfysik i Uppsala. Närmare bestämt, de påverkar ett lager av svagt joniserad gas som kallas jonosfären, som sitter inklämt mellan huvuddelen av Mars neutrala atmosfär och den intensiva strålningen från yttre rymden (inklusive solvinden, en ström av laddade partiklar – protoner och elektroner – som kommer från solen).

Klättrande plasma i Mars jonosfär

Mars jonosfär är ganska lik jordens i många avseenden, såsom de typiska tätheterna, höjder, och så vidare. "Jordens jonosfär är lite mer komplex när det gäller dess struktur, och har ett större antal distinkta lager, " säger Andrews. "Detta beror delvis på att jordens atmosfär är en blandning av kväve och syre, till skillnad från den CO2-dominerade atmosfären på mars."

Mars jordskorpa fält påverkar rörelsen och dynamiken i dess jonosfäriska plasma, påverkar hur det cirkulerar, ackumuleras, och flyr ut i rymden. Till exempel, plasma svävar till mycket högre höjder än förväntat i regioner med vertikalt orienterade jordskorpfält, och områden med starkare jordskorpfält toppas av tätare och mer omfattande lager av jonosfär än svagare eller frånvarande fält.

Mars jonosfär ligger vid gränsen mellan Mars lägre atmosfär och solvinden, som strömmar ut i rymden från solen. Solvinden drar också solmagnetfältet ut i solsystemet när det färdas, skapar det interplanetära magnetfältet (IMF).

När den släpas in i Mars närhet, IMF:s fältlinjer kan ansluta till fältlinjerna som kommer från vissa regioner av Mars skorpa (en process som kallas "magnetisk återkoppling"). Denna process tillåter plasma att rasa uppåt längs de nyskapade linjerna och fly till rymden, skapa smala håligheter inom Mars jonosfär som är relativt saknade i elektroner.

"Den stora frågan, dock, är huruvida dessa jordskorpfält påverkar hastigheten med vilken Mars förlorar sin atmosfär till rymden och om så är fallet, hur, " säger Andrews. "Det är troligt att även om plasma omkonfigureras i regioner där fältet är starkt, de långsiktiga medelvärdena för atmosfärisk flykt skiljer sig inte så mycket – men vi är osäkra."

Från dag till natt

Jonosfärens beteende och egenskaper skiljer sig mellan regionen närmast solen ('dagsidan', mellan Mars och solen) och det som sträcker sig bort från den ('nattsidan', svansar bort från Mars mot det yttre solsystemet).

Mars Express-data har visat att jonosfären på dagen är förvånansvärt komplex och varierande, med elektrondensiteter och strukturerade lager av plasma som förändras abrupt och inkonsekvent. Satelliten har också flaggat för hur mycket det finns att förstå om nattsidan, och varför vissa av dess egenskaper skiljer sig avsevärt från dagen.

Processen för plasmaflykt via magnetisk återanslutning, till exempel, är särskilt effektiv vid dag-natt-gränsen (regionerna som omger denna gräns, eller terminator, kallas ibland 'morgon' och 'kväll' eller 'gryning' och 'skymning'). Liknande, jonosfären på dagsidan är både tätare och sträcker sig till högre höjder över jordskorpanomalier än på nattsidan. Plasma verkar också strömma mot Mars på dagarna, och bort vid dag-natt-gränsen.

I allmänhet, antalet och densiteten av elektroner i jonosfären ökar med fältstyrkan under dagen och vid gränsen mellan dag och natt – men på nattsidan, det motsatta är sant. Mars jonosfär på nattsidan är fläckig; den fylls på av en del av plasman från jonosfären på dagen, och genom att fälla ut elektroner från solvinden och magnetosfären (det område av rymden över vilken Mars lilla inre magnetfält dominerar).

"Allt detta förstärker tanken att Mars plasmamiljö är starkt påverkad av både nivåerna av inkommande solstrålning, och styrkan och fördelningen av planetens jordskorpfält, säger Eduard Dubinin från Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland. "Vi behöver förstå mycket mer om dessa interaktioner och om Mars jonosfär i allmänhet för att måla en detaljerad bild av Mars långsiktiga utveckling i termer av klimat, beboelighet, förlust av vatten och atmosfär, och mer."

Problem för Red Planet radio?

Förutom att skapa en bättre vetenskaplig förståelse av Mars som en planet, att veta mer om Mars jonosfär och jordskorpfält är avgörande för uppdrag för närvarande på Mars, och för de som planeras i framtiden (inklusive besättningsuppdrag).

Till exempel, jonosfären dikterar hur, när, och där Mars Express radarutrustning (MARSIS) kan fungera. Dagens jonosfär på Mars är tätare och mer reflekterande av radiovågor. MARSIS kan alltså undersöka Mars jonosfär på dagtid, eftersom plasmat där reflekterar inkommande radarpulser vid lämpliga frekvenser (~MHz). På nattsidan, dock, MARSIS utför underjordisk sondering. Instrumentets radiovågor når genom den jämförelsevis glesa jonosfären och kan ta sig långt längre innan de reflekteras, når Mars yta och upp till cirka 10 km under.

"MARSIS kan utnyttja jonosfärens olika egenskaper, vilket gör det till ett utmärkt instrument för att undersöka både jonosfären och underytan på Mars, säger Dmitri Titov, projektforskare för ESA:s Mars Express.

Variabiliteten i Mars jonosfären kan vara ett problem, dock, för all kommunikation på Mars yta.

Landers och rovers på Mars kommunicerar med jorden via en orbiter, som i sin tur använder tillräckligt höga radiofrekvenser (GHz) för att jonosfären inte är ett jättestort hinder. Dock, detta kan bli ett större problem om och när människor sätter sin fot på planeten.

"Kortvågsradiokommunikation (MHz) på ytan kan påverkas av variationen i Mars jonosfär, speciellt kring starkare jordskorpfält, och vår förståelse här är fortfarande ofullständig, ", tillägger Titov. "Att förstå mer om Mars magnetiska och plasmamiljö är nyckeln. Fynd som dessa från Mars Express är avgörande för vår fortsatta utforskning av solsystemet, oavsett om det är med robotar eller mänskliga besättningar."