I dag, en tidning publicerad i Vetenskap dokumenterar för första gången de globala vindcirkulationsmönstren i den övre atmosfären på en planet, 120 till 300 kilometer över ytan. Fynden är baserade på lokala observationer, snarare än indirekta mätningar, till skillnad från många tidigare mätningar som tagits på jordens övre atmosfär. Men det hände inte på jorden:det hände på Mars. Dessutom, all data kom från ett instrument och en rymdfarkost som inte ursprungligen konstruerades för att samla in vindmätningar.

2016, Mehdi Benna och hans kollegor föreslog Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) projektteam att de fjärrprogrammerade om rymdfarkosten MAVEN och dess naturgas- och jonmasspektrometer (NGIMS) för att göra ett unikt experiment. De ville se om delar av instrumentet som normalt stod stilla kunde "svinga fram och tillbaka som en vindrutetorkare tillräckligt snabbt, " för att göra det möjligt för verktyget att samla in en ny typ av data.

Initialt, MAVEN-projektgruppen var ovilliga att genomföra de ändringar som Benna och hans kollegor begärde. Trots allt, MAVEN och NGIMS hade kretsat kring Mars sedan 2013, och de arbetade ganska bra med att samla in information om sammansättningen av Mars atmosfär. Varför riskera allt detta? Benna och hans kollegor hävdade att detta projekt skulle samla in nya typer av data som skulle kunna forma vår förståelse av den övre atmosfären på Mars, informera liknande studier på jorden, och hjälpa oss att bättre förstå planetariskt klimat.

Benna, en planetforskare som arbetar från NASA Goddard Space Flight Center med UMBC Center for Space Sciences Technology (CSST), kom på idén med vindrutetorkare medan han brainstormade hur man skapar ett instrument som kunde samla information om globala cirkulationsmönster i jordens övre atmosfär. Det slog honom att, tillsammans, MAVEN och NGIMS kunde göra samma sak på Mars – och de var redan i rymden.

Med viss envishet och många preliminära analyser, Benna och hans kollegor övertygade MAVEN-missionsledningen att ge sin idé ett försök, efter Lockheed Martin, rymdfarkosttillverkaren, fastställt att ändringarna kan vara möjliga utan att skada satelliten. "Det är en smart omkonstruktion under flygningen av hur man använder rymdfarkosten och instrumentet, " säger Benna. "Och genom att göra både och – rymdfarkosten gör något den inte var designad för och instrumentet som gjorde något det inte var designad för att göra – gjorde vi vindmätningarna möjliga.

Kedjereaktion

Den nya uppsatsen färdigställdes i samarbete med Yuni Lee, även av UMBC:s CSST, och kollegor från University of Michigan, George Mason University, och NASA. Den är baserad på data som samlats in två dagar per månad under två år från 2016 till 2018. Vissa resultat förväntades, och andra var stora överraskningar. "Det uppfriskande är att mönstren som vi observerade i den övre atmosfären matchar globalt vad man skulle förutsäga från modeller, säger Benna. Fysiken fungerar.

Övergripande, de genomsnittliga cirkulationsmönstren från säsong till säsong var mycket stabila på Mars. Det är som att säga att på USA:s östkust, under hela året, vädersystem flyter i allmänhet från väst till öst på ett förutsägbart sätt.

En överraskning kom när teamet analyserade den kortsiktiga variationen av vindar i den övre atmosfären, vilket var större än väntat. "På Mars, den genomsnittliga cirkulationen är stabil, men om du tar en ögonblicksbild när som helst, vindarna är mycket varierande, ", säger Benna. Mer arbete krävs för att avgöra varför dessa kontrasterande mönster finns.

En andra överraskning var att vinden hundratals kilometer ovanför planetens yta fortfarande innehöll information om landformer nedanför, som berg, kanjoner, och bassänger. När luftmassan strömmar över dessa egenskaper, "det skapar vågor - krusningseffekter - som flyter upp till den övre atmosfären" och kan detekteras av MAVEN och NGIMS, Benna förklarar. "På jorden, vi ser samma typ av vågor, men inte på så höga höjder. Det var den stora överraskningen, att dessa kan gå upp till 280 kilometer höga."

Benna och kollegor har två hypoteser för varför vågorna, kallas "ortografiska vågor, "vara så länge oförändrad. För en, atmosfären på Mars är mycket tunnare än den är på jorden, så vågorna kan färdas längre obehindrat, som krusningar som färdas längre i vatten än i melass. Också, den genomsnittliga skillnaden mellan geografiska toppar och dalar är mycket större på Mars än på jorden. Det är inte ovanligt att berg är 20 kilometer höga på Mars, medan Mount Everest inte är riktigt nio kilometer högt, och de flesta terrestra berg är mycket kortare.

"Mars topografi driver detta på ett mer uttalat sätt än vad det är på jorden, säger Benna.

Går framåt

Att fortsätta att analysera data från denna studie kan hjälpa forskare att ta reda på om samma grundläggande processer är i aktion på jordens övre atmosfär. Ironiskt, "Vi var tvungna att ta dessa mätningar på Mars för att så småningom förstå samma fenomen på jorden, " säger Benna. "I slutändan kommer resultaten att hjälpa oss att förstå klimatet på Mars. Vad är dess tillstånd och hur utvecklas det?"

Men teamet är inte nöjda med den aktuella datamängden. "Vi vill fortsätta mäta. Vi har två års data, men vi slutar inte där, " säger Benna. Även med den datamängd de redan har, "Vi har många år av modellering och analys framför oss." Det är en mängd information som kan undersökas på sätt som ännu inte föreställts, för att lära dig ännu mer om hur planeter fungerar.