In 1966, twee Caltech-wetenschappers piekerden over de implicaties van het dunne koolstofdioxide (CO ₂ ) Marsatmosfeer voor het eerst onthuld door Mariner IV, een NASA-fly-by-ruimtevaartuig gebouwd en gevlogen door JPL. Ze theoretiseerden dat Mars, met zo'n sfeer, zou een langdurige stabiele polaire afzetting van CO . kunnen hebben ₂ ijs dat, beurtelings, de mondiale atmosferische druk zou beheersen.

Een nieuwe studie van Caltech suggereert dat de theorie, ontwikkeld door natuurkundige Robert B. Leighton (BS '41, MS '44, doctoraat '47) en planetaire wetenschapper Bruce C. Murray, kan inderdaad kloppen.

Kooldioxide vormt meer dan 95 procent van de atmosfeer van Mars, die een oppervlaktedruk heeft van slechts 0,6 procent van die van de aarde. Een voorspelling van de theorie van Leighton en Murray - met enorme implicaties voor de klimaatverandering op Mars - is dat de atmosferische druk in waarde zou schommelen als de planeet om zijn as wiebelt tijdens zijn baan om de zon, door de polen aan meer of minder zonlicht bloot te stellen. Direct zonlicht op de CO ₂ ijs afgezet aan de polen leidt tot sublimatie (de directe overgang van een materiaal van een vaste naar een gasvormige toestand). Leighton en Murray voorspelden dat, als blootstelling aan zonlicht verschuift, de atmosferische druk zou kunnen schommelen van slechts een kwart van die van de huidige atmosfeer van Mars tot tweemaal die van vandaag gedurende cycli van tienduizenden jaren.

Nutsvoorzieningen, een nieuw model van Peter Buhler, doctoraat van JPL, die Caltech beheert voor NASA, en collega's van Caltech, JPL, en de Universiteit van Colorado, levert het belangrijkste bewijs om dit te ondersteunen. Het model werd beschreven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Natuurastronomie op 23 dec.

Het team onderzocht het bestaan ​​van een mysterieus kenmerk op de zuidpool van Mars:een enorme afzetting van CO ₂ ijs en waterijs in afwisselende lagen, als de lagen van een cake, die zich uitstrekken tot een diepte van 1 kilometer, met een dun glazuur van CO ₂ ijs aan de bovenkant. De laagcake-afzetting bevat evenveel CO ₂ zoals in de hele atmosfeer van Mars vandaag.

In theorie, die gelaagdheid zou niet mogelijk moeten zijn omdat waterijs thermisch stabieler en donkerder is dan CO ₂ ijs; CO ₂ ijs, wetenschappers lang geloofden, zou snel destabiliseren als het onder waterijs werd begraven. Echter, het nieuwe model van Buhler en collega's laat zien dat de afzetting kan zijn geëvolueerd als gevolg van de combinatie van drie factoren:1) de veranderende scheefstand (of kanteling) van de rotatie van de planeet, 2) het verschil in de manier waarop waterijs en CO ₂ ijs weerkaatst zonlicht, en 3) de toename van de atmosferische druk die optreedt wanneer CO ₂ ijs sublimeert.

"Gebruikelijk, als je een model runt, je verwacht niet dat de resultaten zo nauw overeenkomen met wat je waarneemt. Maar de dikte van de lagen, zoals bepaald door het model, komt prachtig overeen met radarmetingen van satellieten in een baan om de aarde, ’ zegt Bühler.

Hier is hoe de aanbetaling is gevormd, suggereren de onderzoekers:terwijl Mars de afgelopen 510 op zijn rotatie-as schommelde, 000 jaar, de zuidpool ontving wisselende hoeveelheden zonlicht, CO . toestaan ₂ ijsvorming wanneer de polen minder zonlicht ontvingen en sublimeren wanneer de polen zonniger waren. Wanneer CO ₂ ijs gevormd, kleine hoeveelheden waterijs werden samen met de CO . opgevangen ₂ ijs. Wanneer de CO ₂ gesublimeerd, het stabielere waterijs bleef achter en werd in lagen geconsolideerd.

Maar de waterlagen sluiten de afzetting niet volledig af. In plaats daarvan, de sublimerende CO ₂ verhoogt de atmosferische druk van Mars, en de laagcake met CO ₂ ijs evolueert in evenwicht met de atmosfeer. Als het zonlicht weer begint af te nemen, een nieuwe CO ₂ ijslaag vormt zich bovenop de waterlaag, en de cyclus herhaalt zich.

Omdat sublimatie-episodes over het algemeen in intensiteit zijn afgenomen, wat CO ₂ ijs bleef tussen de waterlagen achter - dus de afwisseling van CO ₂ en waterijs. De diepste (en dus oudste) CO ₂ laag gevormd 510, 000 jaar geleden, na de laatste periode van extreem polair zonlicht, wanneer alle CO ₂ gesublimeerd in de atmosfeer.

"Onze vaststelling van de geschiedenis van de grote drukschommelingen van Mars is van fundamenteel belang voor het begrijpen van de evolutie van het klimaat van Mars, inclusief de geschiedenis van vloeibaar waterstabiliteit en bewoonbaarheid nabij het oppervlak van Mars, " zegt Buhler. Dit werk maakte deel uit van Buhler's afstudeerwerk bij Caltech. Hij zette het onderzoek voort in zijn huidige rol als postdoctoraal onderzoeker bij JPL. Zijn co-auteurs zijn zijn voormalige adviseurs Andy Ingersoll en Bethany Ehlmann, beide professoren planetaire wetenschappen aan Caltech; Sylvain Piqueux van JPL; en Paul Hayne van de Universiteit van Colorado, Kei.

De studie is getiteld "Co-evolutie van de atmosfeer van Mars en massieve zuidpolaire CO ₂ ijsafzetting." Dit onderzoek werd gefinancierd door NASA.