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Saisonale Veränderungen können einen erheblichen Einfluss darauf haben, wie schnell Marsch verliert sein Wasser im Weltraum, eine gemeinsame Studie der Hubble-Weltraumteleskop und die Atmosphäre des Mars und die volatile Entwicklung der NASA (MAVEN) zeigte die Mission.
Vor mehr als drei Milliarden Jahren war der Mars ein warmer, feuchter Planet mit großen Wasserflächen auf seiner Oberfläche und einer dichten Atmosphäre. Heute jedoch ist der Mars trostlos, kalt und trocken. Was ist also mit all dem Wasser passiert?
„Es gibt nur zwei Orte, an die Wasser gelangen kann“, sagte John Clarke von der Boston University in einer Erklärung. Stellungnahme„Wasser kann im Boden gefrieren oder Wassermoleküle können in Atome zerfallen, und die Atome können aus der Atmosphäre in den Weltraum entweichen. »
Voller Wasser vom Mars ist immer noch auf dem Roten Planeten. Große Stauseen scheinen verstopft zu sein tief unter der Erde in Tiefen zwischen 11,5 und 20 Kilometern (7,1 und 12,4 Meilen). Es gibt genug Wasser im Inneren des Mars für eine globale Äquivalentschicht (GEL, was sich im Grunde auf die Tiefe eines planetarischen Ozeans bezieht, der entstehen würde) zwischen 1 und 2 Kilometern (0,62 und 1,24 Meilen).
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Relativ kleine Mengen Wassereis sind auch im flachen Permafrost und in den polaren Eiskappen des Mars eingeschlossen. Während des Marssommers kann dieses Eis sublimieren und dabei Wasserdampf in den Marsraum abgeben Atmosphäre. Der größte Teil dieses Wasserdampfs zirkuliert von Pol zu Pol und gefriert in der Winterhalbkugel, aber ein Teil landet in der oberen Atmosphäre, wo ultraviolettes Sonnenlicht der Sonne Wassermoleküle (H2O) photodissoziieren und in ihre Atombestandteile aufspalten kann. Der Sauerstoff im Wasser oxidiert schließlich entweder Materialien auf der Oberfläche (daher die rostrote Farbe des Mars) oder verbindet sich mit Kohlenstoff zu Kohlendioxid. Während dieser Zeit können Wasserstoffatome (oder ihr schwereres Isotopenäquivalent, Deuterium) in den Weltraum entweichen (sofern sie energiereich genug sind, um die Freisetzungsgeschwindigkeit zu erreichen) und vom Dampf weggetragen werden. Sonnenwind.
MAVEN, das 2014 auf dem Mars ankam, hat die Aufgabe, dieses Wasserstoffleck zu messen.
Da Deuterium, eine schwere Form von Wasserstoff, nicht so leicht aus der Marsatmosphäre entweicht, bedeutet dies, dass das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff (D/H) in der Marsatmosphäre kritisch ist. Die Häufigkeit von Deuterium im Verhältnis zu Wasserstoff nimmt zu Zeit, da Wasserstoff schneller verloren geht. Erde und Mars werden vermutet haben ihr Wasser bekommen Den gleichen Quellen zufolge soll das D/H-Verhältnis des Wassers auf dem Mars vor 3 bis 4 Milliarden Jahren das gleiche gewesen sein wie heute auf der Erde. Das D/H-Verhältnis ist heute auf dem Mars acht- bis zehnmal größer als auf der Erde. Es gibt einige Unklarheiten bei den Messungen, aber durch Vergleich dieses ursprünglichen Mars-Wasserverhältnisses mit dem aktuellen Verhältnis unter Berücksichtigung der Verlustrate von Wasserstoff und Deuterium in den Weltraum ist es möglich, nach hinten zu extrapolieren und die Wassermenge zu berechnen Der Mars hat im Laufe seiner Geschichte wahrscheinlich verloren.
Basierend auf früheren MAVEN-Beobachtungen hat der Mars genug Wasser an den Weltraum verloren, um ein GEL mit einer Tiefe zwischen einigen zehn und einigen hundert Metern zu bilden. Hinzu kommt die enorme Wassermenge, die kürzlich im Inneren des Mars entdeckt wurde, was darauf hindeutet, dass der Rote Planet in seiner fernen Vergangenheit reich an Wasser war.
Allerdings hat MAVEN nun mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops eine unerwartete Komplexität in der Geschichte des Wasserverlusts des Mars entdeckt. Zusammengenommen zeigten die Instrumente, dass die Geschwindigkeit des Wasserstoffverlusts saisonabhängig ist, wobei die Leckrate am Perihel, dem dem Mars am nächsten gelegenen Punkt auf seiner Umlaufbahn um die Erde, stark ansteigt. die Sonne. Dies fällt mit einem starken Anstieg des Wasserdampfs in der mittleren Atmosphäre zusammen, der durch die saisonale Erwärmung verursacht wird. Im Perihel ist die Südhalbkugel des Mars zur Sonne geneigt und der Rote Planet ist von seiner Jahresatmosphäre umgeben Staubsturm Jahreszeit; Staub in der Luft kann zur Erwärmung der Atmosphäre und zum Wasserdampfgehalt beitragen.
Im Perihel hat MAVEN Deuterium- und Wasserstoffdichten in der oberen Atmosphäre gemessen, die 5 bzw. 20 Mal höher sind als im Aphel, dem am weitesten von der Sonne entfernten Punkt auf seiner elliptischen (eher länglichen als kreisförmigen). Im Aphel ist der Deuteriumverlust so gering, dass MAVEN nicht einmal empfindlich genug ist, um ihn zu erkennen. Hier muss das Hubble-Weltraumteleskop einspringen und die Lücken schließen. Beobachtungen zeigten auch, dass die Leckraten für Deuterium und Wasserstoff im Perihel 10 bis 100 Mal höher sind als im Aphel. Tatsächlich entweichen Deuterium und Wasserstoff am Perihel so schnell, dass sie nur durch die in der Atmosphäre verfügbare Wasserdampfmenge begrenzt werden.
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„In den letzten Jahren haben Wissenschaftler herausgefunden, dass der Mars einen viel dynamischeren Jahreszyklus hat, als die Menschen vor 10 oder 15 Jahren dachten“, sagte Clarke. „Die Atmosphäre insgesamt ist sehr turbulent und erwärmt und kühlt sich in kurzen Zeiträumen, manchmal nur ein paar Stunden, ab. Die Atmosphäre dehnt sich aus und zieht sich zusammen, da die Helligkeit der Sonne auf dem Mars im Laufe eines Marsjahres um 40 % schwankt. »
Dies stellt ein Problem bei der Erklärung des Deuteriumverlusts dar, der größer zu sein scheint, als man von einem einfachen gewöhnlichen thermischen Leck erwarten würde, bei dem ein Deuteriumatom heiß genug ist, um die Energie zu haben, in den Raum zu springen. Um die Rate des Deuteriumverlusts zu erhöhen, um sie an das auf dem Mars beobachtete D/H-Verhältnis anzupassen, ist eine zusätzliche Energiezufuhr in die Atmosphäre erforderlich. Dies könnte durch Protonen des Sonnenwinds entstehen, die in die Atmosphäre eindringen und mit Deuteriumatomen kollidieren, oder durch chemische Reaktionen des ultravioletten Sonnenlichts der Sonne, die Deuterium einen zusätzlichen Schub verleihen können.
Die Ergebnisse waren veröffentlicht 26. Juli in der Zeitschrift Science Advances.