Nya bevis på inverkan av den senaste planetomfattande dammstormen på vatten i atmosfären, och en överraskande brist på metan, är bland de vetenskapliga höjdpunkterna under ExoMars Trace Gas Orbiters första år i omloppsbana.

Två artiklar publiceras i tidskriften Natur idag beskriver de nya resultaten, och rapporterade i en dedikerad pressträff på European Geosciences Union i Wien.

En tredje tidning, lämnas in till Handlingar av den ryska vetenskapsakademin , presenterar den mest detaljerade kartan som någonsin producerats över vattenis eller hydratiserade mineraler i Mars grunda underyta.

Den gemensamma ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter, eller TGO, anlände till den röda planeten i oktober 2016, och tillbringade mer än ett år med den aerobromsteknik som behövs för att nå dess två timmar långa vetenskapsbana, 400 km över Mars yta.

"Vi är glada över de första resultaten från Trace Gas Orbiter, säger Håkan Svedhem, ESA:s TGO-projektforskare.

"Våra instrument presterar extremt bra och redan under de första månaderna av observation levererade vi utsökt data till en mycket högre nivå än vad som tidigare uppnåtts."

TGO:s huvudsakliga vetenskapsuppdrag började i slutet av april 2018, bara ett par månader innan starten av den globala dammstormen som så småningom skulle leda till att NASA:s Opportunity-rover gick bort efter 15 år på Mars-ytan.

Rymdfarkoster i omloppsbana, dock, kunde göra unika observationer, med TGO som följer uppkomsten och utvecklingen av stormen och övervakar hur ökningen av damm påverkade vattenångan i atmosfären – viktigt för att förstå vattnets historia på Mars över tid.

Utnyttjar dammstormen

Två spektrometrar ombord – NOMAD och ACS – gjorde de första högupplösta solockultationsmätningarna av atmosfären, tittar på hur solljus absorberas i atmosfären för att avslöja de kemiska fingeravtrycken av dess ingredienser.

Detta möjliggjorde vertikal distribution av vattenånga och "halvtungt" vatten – med en väteatom ersatt av en deuteriumatom, en form av väte med en extra neutron – som ska plottas från nära Mars yta till över 80 km höjd. De nya resultaten spårar inverkan av damm i atmosfären på vatten, tillsammans med väteatomers flykt ut i rymden.

"På de nordliga breddgraderna såg vi särdrag som dammmoln på höjder av cirka 25–40 km som inte fanns där tidigare, och på sydligare breddgrader såg vi dammlager flytta till högre höjder, säger Ann Carine Vandaele, huvudforskare av NOMAD-instrumentet vid Royal Belgian Institute for Space Aeronomy.

"Förbättringen av vattenånga i atmosfären skedde anmärkningsvärt snabbt, under bara några dagar under stormens början, vilket indikerar en snabb reaktion från atmosfären på dammstormen."

Observationerna överensstämmer med globala cirkulationsmodeller. Damm absorberar solens strålning, värma upp den omgivande gasen och få den att expandera, i sin tur omfördela andra ingredienser – som vatten – över ett bredare vertikalt område. En högre temperaturkontrast mellan ekvatorial- och polarområden är också inställd, stärka atmosfärens cirkulation. På samma gång, tack vare de högre temperaturerna, färre vatten-ismoln bildas – normalt skulle de begränsa vattenånga till lägre höjder.

Teamen gjorde också den första observationen av halvtungt vatten samtidigt med vattenånga, tillhandahåller nyckelinformation om de processer som styr mängden väte- och deuteriumatomer som flyr ut i rymden. Det betyder också att förhållandet deuterium-till-väte (D/H) kan härledas, vilket är en viktig markör för utvecklingen av vatteninventeringen på Mars.

"Vi ser att vattnet, deuterat eller inte, är mycket känslig för närvaron av ismoln, hindrar den från att nå atmosfäriska skikt högre upp. Under stormen, vattnet nådde mycket högre höjder, " säger Ann Carine. "Detta var teoretiskt förutspått av modeller under lång tid men det är första gången vi har kunnat observera det."

Eftersom D/H-förhållandet förutspås förändras med säsongen och med latitud, TGO:s fortsatta regionala och säsongsbetonade mätningar förväntas ge ytterligare bevis på de processer som pågår.

Metan mystery plot tjocknar

De två kompletterande instrumenten startade också sina mätningar av spårgaser i Mars atmosfär. Spårgaser upptar mindre än en volymprocent av atmosfären, och kräver mycket exakta mättekniker för att bestämma deras exakta kemiska fingeravtryck i kompositionen. Förekomsten av spårgaser mäts vanligtvis i "delar per miljard i volym" (ppbv), så för exemplet för jordens metaninventering som mäter 1800 ppbv, för varje miljard molekyler, 1800 är metan.

Metan är av särskilt intresse för Mars-forskare, eftersom det kan vara en signatur för livet, såväl som geologiska processer – på jorden, till exempel, 95 % av metanet i atmosfären kommer från biologiska processer. Eftersom det kan förstöras av solstrålning på flera hundra års tid, Varje upptäckt av molekylen i nutid innebär att den måste ha släppts ut relativt nyligen – även om metanet i sig producerades för miljoner eller miljarder år sedan och förblev instängt i underjordiska reservoarer tills nu. Dessutom, spårgaser blandas effektivt dagligen nära planetens yta, med globala vindcirkulationsmodeller som dikterar att metan skulle blandas jämnt runt planeten inom några månader.

Rapporter om metan i marsatmosfären har diskuterats intensivt eftersom upptäckter har varit mycket sporadiska i tid och plats, och föll ofta vid gränsen för instrumentens detektionsgränser. ESA:s Mars Express bidrog med en av de första mätningarna från omloppsbana 2004, vid den tidpunkten, vilket indikerar närvaron av metan som uppgår till 10 ppbv.

Jordbaserade teleskop har också rapporterat både icke-detekteringar och transienta mätningar upp till cirka 45 ppbv, medan NASA:s Curiosity-rover, utforska Gale Crater sedan 2012, har föreslagit en bakgrundsnivå av metan som varierar med årstiderna mellan cirka 0,2 och 0,7 ppbv – med några högre nivåer. På senare tid, Mars Express observerade en metanspik en dag efter en av Curiositys högsta mätningar.

De nya resultaten från TGO ger den mest detaljerade globala analysen hittills, hitta en övre gräns på 0,05 ppbv, det är, 10–100 gånger mindre metan än alla tidigare rapporterade upptäckter. Den mest exakta detektionsgränsen på 0,012 ppbv uppnåddes på 3 km höjd.

Som en övre gräns, 0,05 ppbv motsvarar fortfarande upp till 500 ton metan som släpps ut under en förutspådd livslängd på 300 år för molekylen när man enbart betraktar atmosfäriska förstörelseprocesser, men spridda över hela atmosfären, detta är extremt lågt.

"Vi har vackra, dataspårningssignaler med hög noggrannhet från vatten inom intervallet där vi skulle förvänta oss att se metan, men ändå kan vi bara rapportera en blygsam övre gräns som tyder på en global frånvaro av metan, " säger ACS:s huvudutredare Oleg Korablev från Space Research Institute, Ryska vetenskapsakademin, Moskva.

"TGO:s högprecisionsmätningar verkar vara i strid med tidigare upptäckter; för att förena de olika datamängderna och matcha den snabba övergången från tidigare rapporterade plymer till de uppenbarligen mycket låga bakgrundsnivåerna, vi måste hitta en metod som effektivt förstör metan nära planetens yta."

"Precis som frågan om förekomsten av metan och var den kan komma ifrån har orsakat så mycket debatt, så frågan om vart det är på väg, och hur snabbt det kan försvinna, är lika intressant, säger Håkan.

"Vi har inte alla pusselbitarna eller ser hela bilden ännu, men det är därför vi är där med TGO, göra en detaljerad analys av atmosfären med de bästa instrumenten vi har, för att bättre förstå hur aktiv denna planet är – oavsett om det är geologiskt eller biologiskt."

Bästa kartan över grunt vatten under ytan

Medan den livliga debatten om metans natur och förekomst fortsätter, en säker sak är att vatten en gång fanns på Mars – och fortfarande gör det i form av vattenis, eller som vattenhydrerade mineraler. Och där det fanns vatten, det kan ha funnits liv.

För att hjälpa dig förstå var vattnets läge och historia på Mars, TGO's neutron detector FREND is mapping the distribution of hydrogen in the uppermost metre of the planet's surface. Hydrogen indicates the presence of water, being one of the constituents of the water molecule; it can also indicate water absorbed into the surface, or minerals that were formed in the presence of water.

The instrument's mapping task will take about one Mars year – almost two Earth years – to produce the best statistics to generate the highest quality map. But the first maps presented based on just a few month's data already exceed the resolution of previous measurements.

"In just 131 days the instrument had already produced a map that has a higher resolution than that of the 16 years data from its predecessor onboard NASA's Mars Odyssey – and it is set to continue getting better, " says Igor Mitrofanov, principal investigator of the FREND instrument at the Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow.

Aside from the obviously water-rich permafrost of the polar regions, the new map provides more refined details of localised 'wet' and 'dry' regions. It also highlights water-rich materials in equatorial regions that may signify the presence of water-rich permafrost in present times, or the former locations of the planet's poles in the past.

"The data is continually improving and we will eventually have what will become the reference data for mapping shallow subsurface water-rich materials on Mars, crucial for understanding the overall evolution of Mars and where all the present water is now, " adds Igor. "It is important for the science on Mars, and it is also valuable for future Mars exploration."

"We have already been enjoying beautiful images and stereo views of Mars thanks to the TGO's imaging system and now we are delighted to share the first look at data from the other instruments, " concludes Håkan.

"We have a promising future in contributing to the many fascinating aspects of Mars science, from the distribution of subsurface water, to active surface processes and to the mysteries of the martian atmosphere."