För miljarder år sedan, Mars kunde ha sett ut så här med ett hav som täcker en del av dess yta. Kredit:NASA/GSFC
Ungefär vartannat jordår, när det är sommar på Mars södra halvklot, ett fönster öppnas:Endast under denna säsong kan vattenånga effektivt stiga upp från den nedre delen till den övre Marsatmosfären. Där, vindar för ädelgasen till nordpolen. Medan en del av vattenångan sönderfaller och flyr ut i rymden, resten sjunker ner nära stolparna. Forskare från Moscow Institute of Physics and Technology och Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) i Tyskland beskriver denna ovanliga Mars vattencykel i ett aktuellt nummer av Geofysiska forskningsbrev . Deras datorsimuleringar visar hur vattenånga övervinner barriären av kall luft i Mars mittatmosfär och når högre atmosfäriska lager. Detta kan förklara varför Mars, till skillnad från jorden, har förlorat det mesta av sitt vatten.
För miljarder år sedan, Mars var en planet rik på vatten med floder, och till och med ett hav. Sedan dess, vår grannplanet har förändrats dramatiskt. I dag, endast små mängder fruset vatten finns i marken; i atmosfären, vattenånga förekommer endast i spår. Allt som allt, planeten kan ha förlorat minst 80 procent av sitt ursprungliga vatten. I den övre atmosfären på Mars, ultraviolett strålning från solen delar upp vattenmolekyler till väte (H) och hydroxylradikaler (OH). Vätet flydde därifrån oåterkalleligt ut i rymden. Mätningar med rymdsonder och rymdteleskop visar att även idag, vatten går fortfarande förlorat på detta sätt. Men hur är detta möjligt? Det mellersta atmosfärskiktet på Mars, som jordens tropopaus, borde faktiskt stoppa den stigande gasen. Trots allt, denna region är vanligtvis så kall att vattenånga skulle förvandlas till is. Hur når Mars vattenånga de övre luftlagren?
I sina nuvarande simuleringar, de ryska och tyska forskarna hittar en tidigare okänd mekanism som påminner om en sorts pump. Deras modell beskriver uttömmande flödena i hela gashöljet som omger Mars från ytan till en höjd av 160 kilometer. Beräkningarna visar att den normalt iskalla mellanatmosfären blir genomsläpplig för vattenånga två gånger om dagen – men bara på en viss plats, och vid en viss tid på året.
Vertikal fördelning av vattenånga på Mars under loppet av ett Mars-år, här visas klockan 3 lokal tid. Först när det är sommar på södra halvklotet kan vattenånga nå högre atmosfäriska lager. Kredit:GPL, Shaposhnikov et al.:Säsongsbunden "vatten"-pump i Mars-atmosfären:Vertikal transport till termosfären
Mars omloppsbana spelar en avgörande roll i detta. Dess väg runt solen, som varar ungefär två jordår, är mycket mer elliptisk än vår planets. På den punkt som är närmast solen (som ungefär sammanfaller med sommaren på södra halvklotet), Mars är cirka 42 miljoner kilometer närmare solen än vid dess längsta punkt. Sommaren på södra halvklotet är därför märkbart varmare än sommaren på norra halvklotet.
"När det är sommar på södra halvklotet, vid vissa tider på dygnet, vattenånga kan stiga lokalt med varmare luftmassor och nå den övre atmosfären, säger Paul Hartogh från MPS, sammanfattar resultaten av den nya studien. I de övre atmosfäriska lagren, luftflöden för gasen längs longituderna till nordpolen, där det svalnar och sjunker ner igen. Dock, en del av vattenångan slipper ut denna cykel:under påverkan av solstrålning, vattenmolekylerna sönderfaller och väte flyr ut i rymden.
En annan egenhet på Mars kan befästa denna ovanliga hydrologiska cykel:enorma dammstormar som spänner över hela planeten och upprepade gånger drabbar Mars med flera års mellanrum. De sista sådana stormarna inträffade 2018 och 2007 och dokumenterades omfattande av rymdsonder som kretsade kring Mars. "De mängder damm som virvlar genom atmosfären under en sådan storm underlättar transporten av vattenånga till höga luftlager, säger Alexander Medvedev från MPS.
Gång på gång, Mars dammströmmar spänner över hela planeten, som här i juni 2018. Bilden är tagen från NASA:s rover Curiosity. Stormar av detta slag kan underlätta transporten av vatten till den övre atmosfären på Mars. Kredit:NASA
Forskarna beräknade att under dammstormen 2007, dubbelt så mycket vattenånga nådde den övre atmosfären som under en stormlös sommar på södra halvklotet. Eftersom dammpartiklarna absorberar solljus och därmed värms upp, temperaturerna i hela atmosfären stiger med upp till 30 grader. "Vår modell visar med oöverträffad noggrannhet hur damm i atmosfären påverkar de mikrofysiska processer som är involverade i omvandlingen av is till vattenånga, " förklarar Dmitry Shaposhnikov från Moskvas institut för fysik och teknik, första författaren till den nya studien.
"Tydligen, Mars atmosfär är mer genomsläpplig för vattenånga än jordens, " avslutar Hartogh. "Den nya säsongsbetonade vattencykeln som har hittats bidrar massivt till Mars fortsatta förlust av vatten."
