Dramatiska klimatcykler på tidiga Mars, utlöst av ansamling av växthusgaser, kan vara nyckeln till att förstå hur flytande vatten satt sina spår på planetens yta, enligt ett team av planetforskare.

Forskare har länge diskuterat hur djupa kanjoner och omfattande dalnätverk – som de slag som ristats av rinnande vatten under miljontals år på jorden – kunde bildas på Mars för cirka 3,8 miljarder år sedan, en tid som många tror att planeten var frusen.

Forskarna föreslår att en glaciärtäckt tidig Mars kunde ha upplevt långa varma perioder, varar upp till 10 miljoner år åt gången, orsakas av en tjock atmosfär av koldioxid och väte.

Laget, som publicerade sina resultat idag (1 december) i tidskriften Earth and Planetary Science Letters , fann att uppvärmningscyklerna skulle ha varat tillräckligt länge, och producerade tillräckligt med vatten, för att skapa funktionerna.

Med cykelhypotesen, du får dessa långa perioder av värme som ger dig tillräckligt med tid för att bilda alla de olika nätverken i Marsdalen, sa Natasha Batalha, doktorand, astronomi och astrofysik, Penn State.

Tidigare studier antydde att asteroidnedslag kan ha värmt upp planeten, skapa ångatmosfärer som ledde till regn. Men de varma perioderna skulle ha mycket kortare varaktighet och kämpa för att producera tillräckligt med vatten, sa forskare.

"Vi tror att Mars måste vara varm i miljoner till tiotals miljoner år, och effekthypotesen kan hålla den varm i tusentals år, sa Jim Kasting, Evan Pugh professor i geovetenskap, Penn State, och pappersmedförfattare. "När det gäller vatten, vi behöver miljontals meter nederbörd, och de (tidigare studier) kan få hundratals meter."

Kasting sa att dalarna på Mars-ytan är lika breda som Colorado River Canyon. Forskare uppskattar att det tog 16 miljoner år för Coloradofloden, svullna säsongsvis när snön smälter i Klippiga bergen, att skära den närliggande Grand Canyon.

Med hjälp av klimatmodeller, teamet visade uppvärmningsperioder – orsakade när växthusgaserna nådde en viss tipping point – varade i miljontals år på Mars. Med rätt val av parametrar, dessa varma perioder kan vara upp till 10 miljoner år.

Enligt forskare, växthusgaser ackumuleras gradvis i atmosfären, rapade av vulkanutbrott, frigörs genom att magma kyls ned på ytan eller sipprar upp från planetens skorpa.

Regn tar naturligtvis bort en del av detta från atmosfären när det faller, lagra lite kol i marken genom en process som kallas kemisk vittring. Men eftersom tidiga Mars var kall, det regnade mindre och den här processen kunde inte hänga med, sa forskarna.

"Mars är i denna osäkra position där den är i ytterkanten av den beboeliga zonen, " sa Batalha. "Den tar emot mindre solflöde, så du börjar i ett glacierat tillstånd. Det finns vulkanisk avgasning, men för att du är kallare, du får inte tillbaka samma avlagring av kol på planetens yta. Istället, du får denna atmosfäriska uppbyggnad och din planet börjar sakta stiga i temperatur."

När planeten värmdes, kemisk vittring skulle så småningom ske snabbare än vulkaner kunde återföra gaser till atmosfären, och planeten skulle börja svalna, inleder en annan istid.

För att teorin ska fungera, forskare sa att ytterligare studier behövs för att avgöra om tillräckligt med koldioxid och väte kunde ha producerats på planeten.

"Vi skulle ha det bra om tidiga Mars hade plattektonik precis som jorden har idag, " sa Kasting. "Då fungerar det. Men det är en stor debatt. Många människor tror inte att Mars någonsin haft det."

Batalha sa att höga mängder koldioxid i atmosfären skulle ha lett till mycket surt regn, som skulle ha löst karbonatstenar vid ytan och avsatt dem i underytan.

"Så om nästa Mars-uppdrag kunde gräva ner sig djupare, du kanske kan avslöja dessa olika karbonater, " sa hon. "Det skulle vara en sorts rykande pistol mot koldioxiden."