Vandaag, een paper gepubliceerd in Wetenschap documenteert voor het eerst de wereldwijde windcirculatiepatronen in de bovenste atmosfeer van een planeet, 120 tot 300 kilometer boven het oppervlak. De bevindingen zijn gebaseerd op lokale waarnemingen, in plaats van indirecte metingen, in tegenstelling tot veel eerdere metingen aan de bovenste atmosfeer van de aarde. Maar het gebeurde niet op aarde:het gebeurde op Mars. Daarbovenop, alle gegevens kwamen van een instrument en een ruimtevaartuig die oorspronkelijk niet waren ontworpen om windmetingen te verzamelen.

in 2016, Mehdi Benna en zijn collega's stelden het Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN)-projectteam voor om het MAVEN-ruimtevaartuig en zijn Natural Gas and Ion Mass Spectrometer (NGIMS)-instrument op afstand te herprogrammeren om een ​​uniek experiment uit te voeren. Ze wilden zien of delen van het instrument die normaal stationair waren "snel genoeg heen en weer konden zwaaien als een ruitenwisser, " om de tool in staat te stellen een nieuw soort gegevens te verzamelen.

aanvankelijk, het MAVEN-projectteam aarzelde om de door Benna en zijn collega's gevraagde aanpassingen door te voeren. Ten slotte, MAVEN en NGIMS draaien sinds 2013 in een baan om Mars en ze waren behoorlijk goed bezig met het verzamelen van informatie over de samenstelling van de Mars-atmosfeer. Waarom dat allemaal op het spel zetten? Benna en zijn collega's voerden aan dat dit project nieuwe soorten gegevens zou verzamelen die ons begrip van de bovenste atmosfeer op Mars zouden kunnen vormen, vergelijkbare studies op aarde informeren, en ons helpen het planetaire klimaat beter te begrijpen.

Benna, een planetaire wetenschapper die opereert vanuit het NASA Goddard Space Flight Center met het UMBC Center for Space Sciences Technology (CSST), kwam op het idee van een ruitenwisser tijdens het brainstormen over het maken van een instrument dat informatie kan verzamelen over wereldwijde circulatiepatronen in de bovenste atmosfeer van de aarde. Het viel hem op dat, samen, MAVEN en NGIMS konden hetzelfde doen op Mars - en ze waren al in de ruimte.

Met wat doorzettingsvermogen en veel voorbereidende analyses, Benna en zijn collega's overtuigden de MAVEN-missieleiding om hun idee uit te proberen, na Lockheed Martin, de fabrikant van ruimtevaartuigen, vastgesteld dat de aanpassingen mogelijk zouden zijn zonder de satelliet te beschadigen. "Het is een slimme re-engineering tijdens de vlucht van hoe het ruimtevaartuig en het instrument te bedienen, " zegt Benna. "En door beide te doen - het ruimtevaartuig deed iets waarvoor het niet was ontworpen en het instrument iets waarvoor het niet was ontworpen - maakten we de windmetingen mogelijk."

Rimpeleffect

Het nieuwe papier werd voltooid in samenwerking met Yuni Lee, ook van UMBC's CSST, en collega's van de Universiteit van Michigan, George Mason-universiteit, en Nasa. Het is gebaseerd op gegevens die twee dagen per maand zijn verzameld gedurende twee jaar van 2016 tot 2018. Sommige resultaten werden verwacht, en anderen waren grote verrassingen. "Het verfrissende is dat de patronen die we in de bovenste atmosfeer hebben waargenomen, wereldwijd overeenkomen met wat men zou voorspellen op basis van modellen, ' zegt Benna. 'De natuurkunde werkt.'

Algemeen, de gemiddelde circulatiepatronen van seizoen tot seizoen waren zeer stabiel op Mars. Dit is hetzelfde als zeggen dat aan de oostkust van de Verenigde Staten, door het jaar heen, weersystemen stromen over het algemeen op een voorspelbare manier van het westen naar het oosten.

Een verrassing kwam toen het team de kortetermijnvariabiliteit van winden in de bovenste atmosfeer analyseerde, wat groter was dan verwacht. "Op Mars, de gemiddelde circulatie is stabiel, maar als u op een bepaald moment een momentopname maakt, de winden zijn zeer variabel, ", zegt Benna. Er is meer werk nodig om te bepalen waarom deze contrasterende patronen bestaan.

Een tweede verrassing was dat de wind honderden kilometers boven het aardoppervlak nog steeds informatie bevatte over landvormen eronder, zoals bergen, ravijnen, en bassins. Terwijl de luchtmassa over die kenmerken stroomt, "het creëert golven - rimpeleffecten - die naar de bovenste atmosfeer stromen" en kan worden gedetecteerd door MAVEN en NGIMS, Benna legt het uit. "Op aarde, we zien dezelfde soort golven, maar niet op zulke grote hoogten. Dat was de grote verrassing, dat deze tot 280 kilometer hoog kunnen gaan."

Benna en collega's hebben twee hypothesen waarom de golven, genaamd "orthografische golven, "zo lang onveranderd duren. Ten eerste, de atmosfeer op Mars is veel dunner dan op aarde, zodat de golven ongehinderd verder kunnen reizen, als rimpelingen die verder gaan in water dan in melasse. Ook, het gemiddelde verschil tussen geografische pieken en dalen is op Mars veel groter dan op aarde. Het is niet ongebruikelijk dat bergen 20 kilometer hoog zijn op Mars, terwijl de Mount Everest nog geen negen kilometer hoog is, en de meeste terrestrische bergen zijn veel korter.

"De topografie van Mars stuurt dit op een meer uitgesproken manier dan op aarde, "zegt Benna.

Vooruitgang

Als we doorgaan met het analyseren van de gegevens van dit onderzoek, kunnen wetenschappers erachter komen of dezelfde basisprocessen in de bovenste atmosfeer van de aarde aan het werk zijn. Ironisch, "We moesten deze metingen op Mars gaan doen om uiteindelijk hetzelfde fenomeen op aarde te begrijpen, ", zegt Benna. "Uiteindelijk zullen de resultaten ons helpen het klimaat van Mars te begrijpen. Wat is de staat ervan en hoe evolueert het?"

Maar het team is niet tevreden met de huidige dataset. "We willen blijven meten. We hebben twee jaar aan data, maar we stoppen daar niet, " zegt Benna. Zelfs met de dataset die ze al hebben, "We hebben vele jaren van modellering en analyse voor de boeg." Het is een schat aan informatie die kan worden onderzocht op manieren die nog niet zijn voorgekomen, om nog meer te leren over hoe planeten werken.