Närvaron av vatten på forntida Mars är en paradox. Det finns gott om geografiska bevis för att floder med jämna mellanrum flödade över planetens yta. Ändå borde Mars ha varit för kallt för att bära flytande vatten under den tidsperiod då dessa vatten ska ha runnit - för tre till fyra miljarder år sedan.

Så hur höll det sig så varmt?

Forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) tyder på att tidiga Mars kan ha värmts upp intermittent av en kraftfull växthuseffekt. I en tidning publicerad i Geofysiska forskningsbrev , forskare fann att interaktioner mellan metan, koldioxid och väte i den tidiga marsatmosfären kan ha skapat varma perioder när planeten kunde stödja flytande vatten på ytan.

"Tidiga Mars är unik i den meningen att det är den enda planetariska miljön, utanför jorden, där vi med tillförsikt kan säga att det fanns åtminstone episodiska perioder där livet kunde ha blomstrat, sa Robin Wordsworth, biträdande professor i miljövetenskap och teknik vid SEAS, och första författare till tidningen. "Om vi ​​förstår hur tidigt Mars fungerade, det kan berätta något om potentialen för att hitta liv på andra planeter utanför solsystemet."

För fyra miljarder år sedan, solen var cirka 30 procent svagare än idag och betydligt mindre solstrålning—a.k.a. värme – nådde Mars yta. Den ringa strålningen som nådde planeten fångades av atmosfären, resulterar i varm, blöta perioder. I årtionden, forskare har kämpat för att modellera exakt hur planeten var isolerad.

Den uppenbara boven är CO2. Koldioxid utgör 95 procent av dagens Mars atmosfär och är den mest välkända och rikligaste växthusgasen på jorden.

Men CO2 ensam står inte för Mars tidiga temperaturer.

"Du kan göra klimatberäkningar där du lägger till CO2 och bygger upp till hundratals gånger det nuvarande atmosfärstrycket på Mars och du kommer fortfarande aldrig till temperaturer som ens är nära smältpunkten, sa Wordsworth.

Det måste ha funnits något annat i Mars atmosfär som bidrog till en växthuseffekt.

Atmosfärerna på steniga planeter förlorar lättare gaser, som väte, till rymden över tid. (Faktiskt, oxidationen som ger Mars dess distinkta nyans är ett direkt resultat av förlusten av väte.)

Wordsworth och hans medarbetare tittade på dessa sedan länge förlorade gaser – kända som reducerande gaser – för att ge en möjlig förklaring till Mars tidiga klimat. Särskilt, laget tittade på metan, som idag inte är rikligt i Mars atmosfär. För miljarder år sedan, dock, geologiska processer kunde ha släppt ut betydligt mer metan i atmosfären. Denna metan skulle långsamt ha omvandlats till väte och andra gaser, i en process liknande den som sker idag på Saturnus måne, Titan.

För att förstå hur denna tidiga Mars-atmosfär kan ha betett sig, teamet behövde förstå de grundläggande egenskaperna hos dessa molekyler.

"När du tittar på exotiska atmosfärer, du kan inte jämföra dem med jordens atmosfär, " sade Wordsworth. "Du måste utgå från de första principerna. Så vi tittade på vad som händer när metan, väte och koldioxid kolliderar och hur de interagerar med fotoner. Vi fann att denna kombination resulterar i mycket stark absorption av strålning."

Carl Sagan spekulerade först att väteuppvärmningen kunde ha varit viktig på Mars redan 1977, men detta är första gången forskare har kunnat beräkna dess växthuseffekt exakt. Det är också första gången som metan har visat sig vara en effektiv växthusgas på tidiga Mars.

"Denna forskning visar att uppvärmningseffekterna av både metan och väte har underskattats avsevärt, " sa Wordsworth. "Vi upptäckte att metan och väte, och deras interaktion med koldioxid, var mycket bättre på att värma upp Mars tidigt än man tidigare trott."

Forskarna hoppas att framtida uppdrag till Mars ska kasta ljus över de geologiska processer som producerade metan för miljarder år sedan.

"En av anledningarna till att tidiga Mars är så fascinerande är att livet behöver komplex kemi för att uppstå, ", sade Wordsworth. "Dessa episoder med att minska gasutsläpp följt av planetarisk oxidation kunde ha skapat gynnsamma förhållanden för liv på Mars."