Een belangrijke tracer die wordt gebruikt om te schatten hoeveel atmosfeer Mars verloren kan veranderen, afhankelijk van het tijdstip van de dag en de oppervlaktetemperatuur op de Rode Planeet, volgens nieuwe waarnemingen van door NASA gefinancierde wetenschappers. Eerdere metingen van deze tracer - isotopen van zuurstof - waren het significant oneens. Een nauwkeurige meting van deze tracer is belangrijk om te schatten hoeveel atmosfeer Mars ooit had voordat het verloren ging, die onthult of Mars bewoonbaar had kunnen zijn en wat de omstandigheden zouden kunnen zijn.

Mars is een koude, onherbergzame woestijn vandaag, maar kenmerken zoals droge rivierbeddingen en mineralen die zich alleen met vloeibaar water vormen, geven aan dat het lang geleden een dikke atmosfeer had die voldoende warmte vasthield om vloeibaar water - een noodzakelijk ingrediënt voor leven - aan de oppervlakte te laten stromen. Het lijkt erop dat Mars in de loop van miljarden jaren veel van zijn atmosfeer heeft verloren. het transformeren van zijn klimaat van een klimaat dat mogelijk het leven heeft ondersteund in de uitgedroogde en bevroren omgeving van vandaag, volgens resultaten van NASA-missies zoals MAVEN en Curiosity en teruggaand naar de Viking-missies van 1976.

Echter, er zijn nog veel mysteries over de oude atmosfeer van de Rode Planeet. "We weten dat Mars meer atmosfeer had. We weten dat het stromend water had. Afgezien daarvan hebben we geen goede schatting van de omstandigheden - hoe aards was de omgeving op Mars? Hoe lang?" zei Timothy Livengood van de Universiteit van Maryland, College Park en NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Livengood is hoofdauteur van een artikel over dit onderzoek dat op 1 augustus online is gepubliceerd in Icarus.

Een manier om in te schatten hoe dik de oorspronkelijke atmosfeer van Mars was, is door naar isotopen van zuurstof te kijken. Isotopen zijn versies van een element met een verschillende massa vanwege het aantal neutronen in de atoomkern. Lichtere isotopen ontsnappen sneller naar de ruimte dan zwaardere isotopen, dus de atmosfeer die op de planeet blijft, wordt geleidelijk verrijkt met de zwaardere isotoop. In dit geval, Mars is in vergelijking met de aarde verrijkt met de zwaardere isotoop zuurstof, 18O, versus de lichtere en veel gewonere 16O. De gemeten relatieve hoeveelheid van elke isotoop kan worden gebruikt om te schatten hoeveel meer atmosfeer er op het oude Mars was, in combinatie met een schatting voor hoeveel sneller de lichtere 16O ontsnapt, en ervan uitgaande dat de relatieve hoeveelheid van elke isotoop op aarde en Mars ooit vergelijkbaar was.

Het probleem is dat metingen van de hoeveelheid 18O vergeleken met 16O op Mars, de 18O/16O-verhouding, niet consequent zijn geweest. Verschillende missies maten verschillende verhoudingen, wat resulteert in verschillende interpretaties van de oude Mars-atmosfeer. Het nieuwe resultaat biedt een mogelijke manier om deze discrepantie op te lossen door aan te tonen dat de verhouding tijdens de Marsdag kan veranderen. "Eerdere metingen op Mars of vanaf de aarde hebben een verscheidenheid aan verschillende waarden voor de isotopenverhouding opgeleverd, "zei Livengood. "Onze metingen zijn de eerste metingen die een enkele methode gebruiken op een manier die laat zien dat de verhouding daadwerkelijk varieert binnen een enkele dag, in plaats van vergelijkingen tussen onafhankelijke apparaten. In onze metingen de isotopenverhouding varieert van ongeveer 9% verarmd in zware isotopen 's middags op Mars tot ongeveer 8% verrijkt in zware isotopen rond 13.30 uur in vergelijking met de isotopenverhoudingen die normaal zijn voor zuurstof op aarde."

Dit bereik van isotopenverhoudingen komt overeen met de andere gerapporteerde metingen. "Onze metingen suggereren dat het vorige werk misschien allemaal correct is gedaan, maar niet mee eens was, omdat dit aspect van de atmosfeer complexer is dan we ons hadden gerealiseerd, " zei Livengood. "Afhankelijk van waar op Mars de meting is gedaan, en op welk tijdstip van de dag op Mars, het is mogelijk om verschillende waarden te krijgen."

Het team denkt dat de verandering in verhoudingen gedurende de dag een routinegebeurtenis is vanwege de grondtemperatuur, waarin de isotopisch zwaardere moleculen 's nachts meer aan koude oppervlaktekorrels zouden blijven plakken dan de lichtere isotopen, worden vervolgens vrijgemaakt (thermisch desorberen) naarmate het oppervlak gedurende de dag opwarmt.

Aangezien de atmosfeer van Mars voornamelijk uit koolstofdioxide (CO ₂ ), wat het team feitelijk heeft waargenomen, waren zuurstofisotopen die vastzaten aan koolstofatomen in de CO ₂ molecuul. Ze maakten hun observaties van de atmosfeer van Mars met de NASA Infrared Telescope Facility op Mauna Kea, Hawaii, met behulp van het Heterodyne Instrument for Planetary Winds and Composition ontwikkeld door NASA Goddard. "Terwijl we probeerden de brede spreiding in geschatte isotopenverhoudingen te begrijpen die we uit de waarnemingen hebben gehaald, we merkten dat ze gecorreleerd waren met de oppervlaktetemperatuur die we ook verkregen, "zei Livengood. "Dat was het inzicht dat ons op dit pad zette."

Het nieuwe werk zal onderzoekers helpen hun schattingen van de oude atmosfeer van Mars te verfijnen. Omdat de metingen nu consistent zijn met de resultaten van dergelijke processen in de atmosferen van andere planeten, het betekent dat ze op de goede weg zijn om te begrijpen hoe het klimaat op Mars veranderde. "Het laat zien dat het atmosferische verlies werd veroorzaakt door processen die we min of meer begrijpen, " zei Livengood. "Kritieke details moeten nog worden uitgewerkt, maar het betekent dat we geen beroep hoeven te doen op exotische processen die hadden kunnen leiden tot het verwijderen van CO ₂ zonder de isotopenverhoudingen te veranderen, of het veranderen van slechts enkele verhoudingen in andere elementen."