Mars hade en gång hav men är nu bentorr, lämnar många att undra hur vattnet gick förlorat. University of Arizona forskare har upptäckt en förvånansvärt stor mängd vatten i den övre atmosfären på Mars, där det snabbt förstörs, förklarar en del av detta marsmysterium.

Shane Stone, en doktorand i UArizona Lunar and Planetary Laboratory och huvudförfattare till en ny uppsats publicerad idag i Vetenskap , beskriver sig själv som en planetkemist. En gång en laboratoriekemist som hjälpte till att utveckla polymerer som kunde användas för att slå in och leverera terapeutiska läkemedel mer effektivt, han studerar nu planetatmosfärernas kemi.

Sedan 2014, han har arbetat på NASA MAVEN-uppdraget, förkortning för Mars Atmosphere och Volatile Evolution. Rymdfarkosten MAVEN började kretsa runt Mars 2014 och har sedan dess registrerat sammansättningen av den övre atmosfären hos jordens planetariska granne.

"Vi vet att för miljarder år sedan, det fanns flytande vatten på Mars yta, " sa Stone. "Det måste ha varit en tjockare atmosfär, så vi vet att Mars på något sätt förlorade majoriteten av sin atmosfär till rymden. MAVEN försöker karakterisera de processer som är ansvariga för denna förlust, och en del av det är att förstå exakt hur Mars förlorade sitt vatten."

Medförfattare till studien inkluderar Roger Yelle, en UArizona-professor i planetvetenskap och Stones forskningsrådgivare, samt forskare från NASA Goddard Space Flight Center och Center for Research and Exploration in Space Science and Technology i Maryland.

Håller utkik efter vatten

När MAVEN kretsar runt Mars, den faller ner i planetens atmosfär var 4 1/2 timme. NGIMS-instrumentet ombord, förkortning för neutral gas- och jonmasspektrometer, har mätt mängden laddade vattenmolekyler som kallas joner i den övre Mars atmosfären, cirka 100 miles från planetens yta. Från denna information, forskare kan sluta sig till hur mycket vatten som finns i atmosfären.

Tidigare observationer med MAVEN och rymdteleskopet Hubble visade att förlust av vatten från Mars övre atmosfär varierar med årstiderna. Jämfört med jorden, Mars tar en mer oval-formad väg runt solen och är närmast den under sommaren på Mars södra halvklotet.

Stone och hans team fann att när Mars är närmast solen, planeten värmer, och mer vatten – som finns på ytan i form av is – rör sig från ytan till den övre atmosfären där det förloras till rymden. Detta händer en gång varje marsår eller ungefär vartannat jordår. De regionala dammstormar som inträffar på Mars varje marsår och de globala dammstormar som inträffar över planeten ungefär en gång vart tionde år leder till ytterligare uppvärmning av atmosfären och en ökning av vattnets rörelse uppåt.

De processer som gör denna cykliska rörelse möjlig motsäger den klassiska bilden av vattenflykt från Mars, visar att den är ofullständig, sa Stone. Enligt den klassiska processen, vattenis omvandlas till en gas och förstörs av solens strålar i den lägre atmosfären. Denna process, dock, skulle spela ut som en långsam, stadigt rinnande, opåverkad av årstiderna eller dammstormar, vilket inte stämmer överens med aktuella observationer.

"Detta är viktigt eftersom vi inte förväntade oss att se något vatten i den övre atmosfären på Mars alls, " sa Stone. "Om vi ​​jämför Mars med jorden, vatten på jorden är begränsat nära ytan på grund av något som kallas hygropaus. Det är bara ett lager i atmosfären som är tillräckligt kallt för att kondensera (och därför stoppa) all vattenånga som rör sig uppåt."

Teamet hävdar att vattnet rör sig förbi vad som borde vara Mars hygropaus, som sannolikt är för varmt för att stoppa vattenångan. Väl i den övre atmosfären, vattenmolekyler bryts isär av joner mycket snabbt - inom fyra timmar, de beräknar — och biprodukterna går sedan förlorade till rymden.

"Förlusten av dess atmosfär och vatten till rymden är en viktig anledning till att Mars är kall och torr jämfört med varm och våt jord. Dessa nya data från MAVEN avslöjar en process genom vilken denna förlust fortfarande sker idag, sa Stone.

En torr och dammig värld

När teamet extrapolerade sina fynd tillbaka 1 miljard år, de fann att denna process kan förklara förlusten av ett globalt hav på cirka 17 tum djupt.

"Om vi ​​tog vatten och spred det jämnt över hela Mars yta, att havet av vatten som förlorats till rymden på grund av den nya processen vi beskriver skulle vara över 17 tum djupt, "Sade Stone. "Ytterligare 6,7 tum skulle förloras enbart på grund av effekterna av globala dammstormar."

Under globala dammstormar, 20 gånger mer vatten kan transporteras till den övre atmosfären. Till exempel, en global dammstorm som varar i 45 dagar släpper ut samma mängd vatten till rymden som Mars skulle förlora under ett lugnt marsår, eller 687 jorddagar.

Och medan Stone och hans team inte kan extrapolera längre tillbaka än 1 miljard år, han tror att den här processen förmodligen inte fungerade på samma sätt innan dess, eftersom Mars kan ha haft en starkare hygropaus för länge sedan.

"Innan processen vi beskriver började fungera, det måste redan ha funnits en betydande mängd atmosfärisk flykt till rymden, "Sa Stone. "Vi behöver fortfarande spika in effekterna av den här processen och när den började fungera."

I framtiden, Stone skulle vilja studera atmosfären på Saturnus måne, Titan.

"Titan har en intressant atmosfär där organisk kemi spelar en betydande roll, " sa Stone. "Som en före detta syntetisk organisk kemist, Jag är angelägen om att undersöka dessa processer."