För forskare som försöker förstå hur forntida Mars kan ha sett ut, den röda planeten sänder några blandade signaler. Vattenristade dalar och sjöbottnar lämnar inga tvivel om att vattnet en gång rann på ytan. Men klimatmodeller för tidig Mars tyder på att medeltemperaturerna runt om i världen höll sig långt under fryspunkten.

En nyligen genomförd studie ledd av geologer från Brown University erbjuder en potentiell bro mellan den "varma och våta" historien som berättas av Mars geologi och det "kalla och isiga" förflutna som föreslås av atmosfäriska modeller. Studien visar att det är rimligt, även om Mars i allmänhet var frusen, att högsta dagliga temperaturer på sommaren kan smyga över fryspunkten precis tillräckligt för att orsaka smältning vid glaciärernas kanter. Det där smältvattnet, produceras i relativt små mängder år efter år, kunde ha räckt för att skära de särdrag som observeras på planeten idag, avslutar forskarna.

Studien publiceras online i tidskriften Ikaros . Ashley Palumbo, en Ph.D. student på Brown, ledde arbetet med Jim Head, en professor vid Browns Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap, och Robin Wordsworth, professor vid Harvards School of Engineering and Applied Sciences.

Palumbo säger att forskningen var inspirerad av klimatdynamik som finns här på jorden.

"Vi ser detta i Antarktis torra dalar, där säsongsbetonade temperaturvariationer är tillräckliga för att bilda och upprätthålla sjöar även om den årliga medeltemperaturen ligger långt under fryspunkten, " sa Palumbo. "Vi ville se om något liknande kan vara möjligt för forntida Mars."

Forskarna började med en toppmodern klimatmodell för Mars – en som utgår från en gammal atmosfär som till stor del består av koldioxid (som den är idag). Modellen producerar i allmänhet en kall och iskall tidig Mars, delvis för att solens energiproduktion tros ha varit mycket svagare tidigt i solsystemets historia. Forskarna körde modellen för ett brett parameterutrymme för variabler som kan ha varit viktiga för cirka 4 miljarder år sedan när de ikoniska dalnäten på planetens södra högland bildades.

Medan forskare i allmänhet är överens om att Mars atmosfär var tjockare förr, det är inte klart hur tjock den faktiskt var. Likaså, medan de flesta forskare är överens om att atmosfären mestadels var koldioxid, det kan ha förekommit små mängder andra växthusgaser. Så Palumbo och hennes kollegor körde modellen med olika rimliga atmosfäriska tjocklekar och extra mängder växthusuppvärmning.

Det är inte heller känt exakt hur variationerna i Mars bana kan ha sett ut för 4 miljarder år sedan, så forskarna testade en rad rimliga orbitalscenarier. De testade olika grader av axellutning, som påverkar hur mycket solljus planetens övre och nedre breddgrader får, såväl som olika grader av excentricitet – i vilken utsträckning planetens bana runt solen avviker från en cirkel, vilket kan förstärka säsongsbetonade temperaturförändringar.

Modellen producerade scenarier där is täckte regionen nära platsen för dalnäten. Och medan planetens genomsnittliga årliga temperatur i dessa scenarier höll sig långt under fryspunkten, modellen producerade topp sommartemperaturer i södra höglandet som steg över fryspunkten.

För att denna mekanism eventuellt ska förklara dalnäten, den måste producera den korrekta vattenvolymen under den tid som dalnätverket bildas, och vattnet måste rinna av på ytan med hastigheter som är jämförbara med de som krävs för dalnätssnitt. Några år sedan, Head och Eliot Rosenberg, en undergraduate vid Brown vid den tiden som sedan har tagit examen, publicerade en uppskattning av den minsta mängd vatten som krävs för att skära den största av dalarna. Att använda det som en guide, tillsammans med uppskattningar av nödvändiga avrinningshastigheter och varaktigheten av bildandet av dalnätverk från andra studier, Palumbo visade att modellkörningar där Marsbanan var mycket excentrisk verkligen uppfyllde dessa kriterier. Den graden av excentricitet som krävs ligger väl inom intervallet för möjliga banor för Mars för 4 miljarder år sedan, säger Palumbo.

Tagen tillsammans, Palumbo säger, resultaten erbjuder ett potentiellt sätt att förena de geologiska bevisen för strömmande vatten på tidiga Mars med de atmosfäriska bevisen för en kall och iskall planet.

"Detta arbete lägger till en rimlig hypotes för att förklara hur flytande vatten kunde ha bildats på tidiga Mars, på ett sätt som liknar den säsongsbetonade smältningen som producerar de bäckar och sjöar vi observerar under vårt fältarbete i Antarktis McMurdo Dry Valleys, " Head sa. "Vi undersöker för närvarande ytterligare kandidatuppvärmningsmekanismer, inklusive vulkanism och nedslagskrater, som också kan bidra till smältning av en kall och iskall tidig Mars."

Så även om arbetet inte stänger debatten "kallt och isigt" kontra "varmt och blött", det gör fallet att en mestadels frusen tidig Mars var en distinkt möjlighet.