ESA:s ExoMars Trace Gas Orbiter har upptäckt glödande grönt syre i Mars atmosfär – första gången som detta utsläpp har setts runt en annan planet än jorden.

På jorden, glödande syre produceras under polära norrsken när energiska elektroner från det interplanetära rymden träffar den övre atmosfären. Denna syredrivna ljusemission ger polära norrsken deras vackra och karakteristiska gröna nyans.

Norrsken, dock, är bara ett sätt på vilket planetariska atmosfärer lyser upp. Atmosfärerna på planeter inklusive Jorden och Mars lyser konstant under både dag och natt när solljus interagerar med atomer och molekyler i atmosfären. Dag- och nattglöd orsakas av lite olika mekanismer:nattglöd uppstår när sönderbrutna molekyler rekombinerar, medan dagsglöd uppstår när solens ljus direkt exciterar atomer och molekyler som kväve och syre.

På jorden, grönt nattsken är ganska svagt, och så ses bäst genom att se från ett "kanten på"-perspektiv – som skildras i många spektakulära bilder tagna av astronauter ombord på den internationella rymdstationen (ISS). Denna svaghet kan vara ett problem när man letar efter det runt andra planeter, eftersom deras ljusa ytor kan dränka den.

Denna gröna glöd har nu upptäckts för första gången på Mars av ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), som har kretsat kring Mars sedan oktober 2016.

"En av de ljusaste utsläppen som setts på jorden härrör från nattglöd. Mer specifikt, från syreatomer som avger en viss våglängd av ljus som aldrig har setts runt en annan planet, säger Jean-Claude Gérard från Université de Liège, Belgien, och huvudförfattare till den nya studien publicerad i Natur astronomi .

"Dock, detta utsläpp har förutspåtts existera på Mars i cirka 40 år — och, tack vare TGO, vi har hittat den."

Jean-Claude och kollegor kunde upptäcka detta utsläpp med hjälp av ett speciellt observationsläge för TGO. En av orbiterns avancerade svit av instrument, känd som NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) och inklusive ultraviolett och synlig spektrometer (UVIS), kan observera i olika konfigurationer, en av dessa placerar sina instrument så att de pekar direkt ner mot Mars yta – även kallad "nadir"-kanalen.

"Tidigare observationer hade inte fångat någon form av grönt sken på Mars, så vi bestämde oss för att omorientera UVIS nadir-kanalen för att peka på "kanten" av Mars, liknande perspektivet du ser på bilder av jorden tagna från ISS, ", tillägger medförfattaren Ann Carine Vandaele från Institut Royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique, Belgien, och huvudutredare för NOMAD.

Mellan 24 april och 1 december 2019, Jean-Claude, Ann Carine och kollegor använde NOMAD-UVIS för att skanna höjder från 20 till 400 kilometer från marsytan två gånger per omloppsbana. När de analyserade dessa datamängder, de hittade det gröna syreutsläppet i dem alla.

"Utsläppet var starkast på en höjd av cirka 80 kilometer och varierade beroende på det ändrade avståndet mellan Mars och solen, ", tillägger Ann Carine.

Att studera glöden av planetariska atmosfärer kan ge en mängd information om en atmosfärs sammansättning och dynamik, och avslöja hur energi deponeras av både solens ljus och solvinden – strömmen av laddade partiklar som kommer från vår stjärna.

För att bättre förstå detta gröna sken på Mars, och jämför det med vad vi ser runt vår egen planet, Jean-Claude och kollegor grävde vidare i hur det bildades.

"Vi modellerade detta utsläpp och fann att det mestadels produceras som koldioxid, eller CO ₂ , bryts upp i sina beståndsdelar:kolmonoxid och syre, " säger Jean-Claude. "Vi såg de resulterande syreatomerna glöda i både synligt och ultraviolett ljus."

Att samtidigt jämföra dessa två typer av emission visade att den synliga emissionen var 16,5 gånger mer intensiv än den ultravioletta.

"Observationerna på Mars överensstämmer med tidigare teoretiska modeller men inte med den faktiska glöden vi har sett runt jorden, där det synliga utsläppet är mycket svagare, ", tillägger Jean-Claude. "Detta tyder på att vi har mer att lära oss om hur syreatomer beter sig, vilket är oerhört viktigt för vår förståelse av atom- och kvantfysik."

Denna förståelse är nyckeln till att karakterisera planetariska atmosfärer och relaterade fenomen – som norrsken. Genom att dechiffrera strukturen och beteendet hos detta gröna glödande lager av Mars atmosfär, forskare kan få insikt i ett höjdområde som har förblivit i stort sett outforskat, och övervaka hur den förändras när solens aktivitet varierar och Mars färdas längs sin bana runt vår stjärna.

"Det här är första gången detta viktiga utsläpp någonsin har observerats runt en annan planet bortom jorden, och markerar den första vetenskapliga publikationen baserad på observationer från UVIS-kanalen för NOMAD-instrumentet på ExoMars Trace Gas Orbiter, " framhåller Håkan Svedhem, ESA:s TGO Project Scientist.

"Det visar den anmärkningsvärt höga känsligheten och den optiska kvaliteten hos NOMAD-instrumentet. Detta är särskilt sant med tanke på att denna studie utforskade Mars dagsida, som är mycket ljusare än nattsidan, vilket gör det ännu svårare att upptäcka detta svaga utsläpp."

Att förstå egenskaperna hos Mars atmosfär är inte bara vetenskapligt intressant, men är också nyckeln till att utföra de uppdrag vi skickar till den röda planeten. Atmosfärisk densitet, till exempel, påverkar direkt draget som upplevs av satelliter i bana och av fallskärmarna som används för att leverera sonder till marsytan.

"Denna typ av fjärranalysobservation, i kombination med in situ mätningar på högre höjder, hjälper oss att förutsäga hur Mars atmosfär kommer att reagera på säsongsmässiga förändringar och variationer i solaktivitet, ", tillägger Håkan. "Att förutsäga förändringar i atmosfärens densitet är särskilt viktigt för kommande uppdrag, inklusive ExoMars 2022-uppdraget som kommer att skicka en rover- och ytvetenskapsplattform för att utforska ytan på den röda planeten."