Havssalt inbäddat i den dammiga ytan på Mars och lyft upp i planetens atmosfär har lett till upptäckten av väteklorid - första gången ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter har upptäckt en ny gas. Rymdfarkosten ger också ny information om hur Mars förlorar sitt vatten.

Ett stort uppdrag i Mars-utforskningen är att jaga efter atmosfäriska gaser kopplade till biologisk eller geologisk aktivitet, såväl som att förstå planetens tidigare och nuvarande vatteninventering, för att avgöra om Mars någonsin kunde ha varit beboelig och om några vattenreservoarer kunde vara tillgängliga för framtida mänsklig utforskning. Två nya resultat från ExoMars-teamet publicerade idag i Vetenskapens framsteg avslöja en helt ny klass av kemi och ge ytterligare insikter om säsongsförändringar och yt-atmosfär-interaktioner som drivkrafter bakom de nya observationerna.

En ny kemi

"Vi har upptäckt väteklorid för första gången på Mars. Detta är den första upptäckten av en halogengas i atmosfären på Mars, och representerar en ny kemisk cykel att förstå, säger Kevin Olsen från University of Oxford, STORBRITANNIEN, en av de ledande forskarna bakom upptäckten.

Klorvätegas, eller HCl, innefattar en väte- och kloratom. Mars-forskare var alltid på jakt efter klor- eller svavelbaserade gaser eftersom de är möjliga indikatorer på vulkanisk aktivitet. Men arten av vätekloridobservationerna - det faktum att det upptäcktes på mycket avlägsna platser samtidigt, och bristen på andra gaser som kan förväntas från vulkanisk aktivitet – pekar på en annan källa. Det är, upptäckten antyder en helt ny yt-atmosfär-interaktion som drivs av dammsäsongerna på Mars som inte tidigare hade utforskats.

I en process som är mycket lik den som ses på jorden, salter i form av natriumklorid – rester av förångade hav och inbäddade i Mars dammiga yta – lyfts upp i atmosfären av vindar. Solljus värmer atmosfären och orsakar damm, tillsammans med vattenånga som frigörs från inlandsisar, att stiga. Det salta dammet reagerar med atmosfäriskt vatten för att frigöra klor, som själv sedan reagerar med molekyler som innehåller väte för att skapa väteklorid. Vid ytterligare reaktioner kan det klor- eller saltsyrarika dammet återvända till ytan, kanske som perklorater, en klass av salt gjord av syre och klor.

"Du behöver vattenånga för att frigöra klor och du behöver biprodukterna av vatten - väte - för att bilda väteklorid. Vatten är avgörande i denna kemi, " säger Kevin. "Vi observerar också en korrelation till damm:vi ser mer väteklorid när dammaktiviteten ökar, en process kopplad till den säsongsbetonade uppvärmningen av det södra halvklotet."

Teamet upptäckte gasen för första gången under den globala dammstormen 2018, observera att det dyker upp samtidigt på både norra och södra halvklotet, och bevittnade dess förvånansvärt snabba försvinnande igen i slutet av den säsongsbetonade dammiga perioden. De tittar redan på data som samlats in under den följande dammsäsongen och ser HCl stiga igen.

"Det är otroligt givande att se våra känsliga instrument upptäcka en aldrig tidigare skådad gas i atmosfären på Mars, " säger Oleg Korablev, huvudforskare av instrumentet Atmospheric Chemistry Suite som gjorde upptäckten. "Vår analys kopplar genereringen och nedgången av vätekloridgasen till Mars yta."

Omfattande laboratorietester och nya globala atmosfäriska simuleringar kommer att behövas för att bättre förstå den klorbaserade växelverkan mellan yt-atmosfär, tillsammans med fortsatta observationer på Mars för att bekräfta att ökningen och fallet av HCl drivs av sommaren på södra halvklotet.

"Upptäckten av den första nya spårgasen i Mars atmosfär är en viktig milstolpe för uppdraget Trace Gas Orbiter, säger Håkan Svedhem, ESA:s ExoMars Trace Gas Orbiter-projektforskare. "Detta är den första nya gasklassen som upptäckts sedan den påstådda observationen av metan av ESA:s Mars Express 2004, som motiverade sökandet efter andra organiska molekyler och slutligen kulminerade i utvecklingen av Trace Gas Orbiter-uppdraget, för vilket det primära målet är att upptäcka nya gaser."

Stigande vattenånga har ledtrådar till klimatutvecklingen

Förutom nya gaser, Trace Gas Orbiter förfinar vår förståelse av hur Mars förlorade sitt vatten – en process som också är kopplad till säsongsmässiga förändringar.

Flytande vatten tros en gång ha strömmat över Mars yta, vilket framgår av de många exemplen på gamla uttorkade dalar och flodkanaler. I dag, det är mestadels inlåst i istäckena och begravt under jorden. Mars läcker fortfarande vatten idag, i form av väte och syre som kommer ut från atmosfären.

Att förstå samspelet mellan potentiella vattenförande reservoarer och deras säsongsbetonade och långsiktiga beteende är nyckeln till att förstå utvecklingen av Mars klimat. Detta kan göras genom att studera vattenånga och "halvtungt" vatten (där en väteatom ersätts med en deuteriumatom, en form av väte med en extra neutron).

"Förhållandet mellan deuterium och väte, D/H, är vår kronometer – ett kraftfullt mått som berättar om vattnets historia på Mars, och hur vattenförlusten utvecklades över tiden. Tack vare ExoMars Trace Gas Orbiter, vi kan nu bättre förstå och kalibrera denna kronometer och testa för potentiella nya reservoarer av vatten på Mars, " säger Geronimo Villanueva från NASA:s Goddard Space Flight Center och huvudförfattare till det nya resultatet.

"Med Trace Gas Orbiter kan vi se vattenisotopologernas väg när de stiger upp i atmosfären med en detaljnivå som inte var möjlig tidigare. Tidigare mätningar gav bara medelvärdet över hela atmosfärens djup. Det är som att vi bara hade en 2D-vy tidigare, nu kan vi utforska atmosfären i 3D, säger Ann Carine Vandaele, huvudutredare för instrumentet Nadir and Occultation for MARs Discovery (NOMAD) som användes för denna undersökning.

De nya mätningarna avslöjar dramatisk variation i D/H med höjd och årstid när vattnet stiger från sin ursprungliga plats." data visar att när vattnet är helt förångat, det uppvisar oftast en vanlig stor anrikning i halvtungt vatten, och ett D/H-förhållande sex gånger större än jordens över alla reservoarer på Mars, bekräftar att stora mängder vatten har förlorats över tiden, " säger Giuliano Liuzzi från American University och NASA:s Goddard Space Flight Center och en av de ledande forskarna i undersökningen.

ExoMars-data som samlades in mellan april 2018 och april 2019 visade också tre fall som accelererade vattenförlusten från atmosfären:den globala dammstormen 2018, en kort men intensiv regional storm i januari 2019, och vattenutsläpp från södra polarisen under sommarmånaderna kopplat till säsongsmässiga förändringar. Särskilt anmärkningsvärt är en plym av stigande vattenånga under södra sommaren som potentiellt skulle injicera vatten i den övre atmosfären på säsongs- och årsbasis.

Framtida koordinerade observationer med andra rymdfarkoster inklusive NASAs MAVEN, som fokuserar på den övre atmosfären, kommer att ge kompletterande insikter till vattnets utveckling under marsåret.

"De växlande årstiderna på Mars, och i synnerhet den relativt varma sommaren på södra halvklotet verkar vara drivkraften bakom våra nya observationer som den ökade atmosfäriska vattenförlusten och dammaktiviteten kopplad till detektering av väteklorid, som vi ser i de två senaste studierna, ", tillägger Håkan. "Trace Gas Orbiter-observationer gör det möjligt för oss att utforska Mars atmosfär som aldrig förr."