ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter heeft gloeiende groene zuurstof gedetecteerd in de atmosfeer van Mars - de eerste keer dat deze emissie is waargenomen rond een andere planeet dan de aarde.

Op aarde, gloeiende zuurstof wordt geproduceerd tijdens polaire aurora's wanneer energetische elektronen uit de interplanetaire ruimte de bovenste atmosfeer raken. Deze door zuurstof aangestuurde emissie van licht geeft polaire aurora's hun mooie en karakteristieke groene tint.

de aurora, echter, is slechts één manier waarop planetaire atmosferen oplichten. De atmosferen van planeten, waaronder de aarde en Mars, gloeien zowel overdag als 's nachts constant terwijl zonlicht interageert met atomen en moleculen in de atmosfeer. Dag- en nachtgloed worden veroorzaakt door enigszins verschillende mechanismen:nachtgloed treedt op als afgebroken moleculen recombineren, terwijl daggloed ontstaat wanneer het zonlicht direct atomen en moleculen zoals stikstof en zuurstof aanslaat.

Op aarde, groene nachtgloed is vrij zwak, en dat is het beste te zien door vanuit een 'edge-on'-perspectief te kijken - zoals weergegeven in veel spectaculaire foto's gemaakt door astronauten aan boord van het International Space Station (ISS). Deze zwakte kan een probleem zijn bij het jagen op andere planeten, omdat hun heldere oppervlakken het kunnen overstemmen.

Deze groene gloed is nu voor het eerst op Mars gedetecteerd door de ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), die sinds oktober 2016 in een baan om Mars draait.

"Een van de helderste emissies op aarde komt voort uit nachtgloed. Meer specifiek, van zuurstofatomen die een bepaalde golflengte van licht uitzenden die nog nooit rond een andere planeet is waargenomen, " zegt Jean-Claude Gérard van de Université de Liège, België, en hoofdauteur van de nieuwe studie gepubliceerd in Natuurastronomie .

"Echter, er wordt voorspeld dat deze emissie al ongeveer 40 jaar op Mars bestaat - en, met dank aan TGO, we hebben het gevonden."

Jean-Claude en collega's konden deze emissie waarnemen met behulp van een speciale waarnemingsmodus van de TGO. Een van de geavanceerde instrumenten van de orbiter, bekend als NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) en inclusief de ultraviolette en zichtbare spectrometer (UVIS), kan observeren in verschillende configuraties, waarvan er één zijn instrumenten zo positioneert dat ze direct naar beneden wijzen naar het oppervlak van Mars, ook wel het 'nadir'-kanaal genoemd.

"Eerdere waarnemingen hadden geen enkele groene gloed op Mars vastgelegd, dus besloten we om het UVIS-nadirkanaal te heroriënteren om naar de 'rand' van Mars te wijzen, vergelijkbaar met het perspectief dat je ziet in afbeeldingen van de aarde genomen vanuit het ISS, " voegt co-auteur Ann Carine Vandaele van het Institut Royal d'Aéronomie Spatial de Belgique toe, België, en hoofdonderzoeker van NOMAD.

Tussen 24 april en 1 december 2019, Jean-Claude, Ann Carine en collega's gebruikten NOMAD-UVIS om twee keer per baan hoogten van 20 tot 400 kilometer vanaf het oppervlak van Mars te scannen. Toen ze deze datasets analyseerden, ze vonden de groene zuurstofuitstoot in allemaal.

"De emissie was het sterkst op een hoogte van ongeveer 80 kilometer en varieerde afhankelijk van de veranderende afstand tussen Mars en de zon, ", voegt Ann Carine toe.

Het bestuderen van de gloed van planetaire atmosferen kan een schat aan informatie opleveren over de samenstelling en dynamiek van een atmosfeer, en onthullen hoe energie wordt afgezet door zowel het licht van de zon als de zonnewind - de stroom geladen deeltjes die uit onze ster komt.

Om deze groene gloed op Mars beter te begrijpen, en vergelijk het met wat we zien rond onze eigen planeet, Jean-Claude en collega's groeven verder in hoe het werd gevormd.

"We hebben deze emissie gemodelleerd en ontdekten dat deze meestal wordt geproduceerd als koolstofdioxide, of CO ₂ , wordt opgedeeld in de samenstellende delen:koolmonoxide en zuurstof, " zegt Jean-Claude. "We zagen de resulterende zuurstofatomen gloeien in zowel zichtbaar als ultraviolet licht."

Gelijktijdig vergelijken van deze twee soorten emissie toonde aan dat de zichtbare emissie 16,5 keer intenser was dan de ultraviolet.

"De waarnemingen op Mars komen overeen met eerdere theoretische modellen, maar niet met het werkelijke gloeien dat we rond de aarde hebben gezien, waar de zichtbare emissie veel zwakker is, "voegt Jean-Claude toe. "Dit suggereert dat we meer moeten leren over hoe zuurstofatomen zich gedragen, wat enorm belangrijk is voor ons begrip van atoom- en kwantumfysica."

Dit begrip is de sleutel tot het karakteriseren van planetaire atmosferen en aanverwante verschijnselen, zoals aurora's. Door de structuur en het gedrag van deze groene gloeiende laag van de atmosfeer van Mars te ontcijferen, wetenschappers kunnen inzicht krijgen in een hoogtebereik dat grotendeels onontgonnen is gebleven, en volgen hoe het verandert als de activiteit van de zon varieert en Mars langs zijn baan rond onze ster reist.

"Dit is de eerste keer dat deze belangrijke emissie ooit is waargenomen rond een andere planeet buiten de aarde, en markeert de eerste wetenschappelijke publicatie op basis van waarnemingen van het UVIS-kanaal van het NOMAD-instrument op de ExoMars Trace Gas Orbiter, " belicht Håkan Svedhem, ESA's TGO-projectwetenschapper.

"Het toont de opmerkelijk hoge gevoeligheid en optische kwaliteit van het NOMAD-instrument aan. Dit is vooral waar aangezien deze studie de dagzijde van Mars verkende, die veel helderder is dan de nachtzijde, waardoor het nog moeilijker wordt om deze zwakke emissie te zien."

Het begrijpen van de eigenschappen van de atmosfeer van Mars is niet alleen wetenschappelijk interessant, maar is ook de sleutel tot het uitvoeren van de missies die we naar de Rode Planeet sturen. Atmosferische dichtheid, bijvoorbeeld, heeft rechtstreeks invloed op de weerstand die wordt ervaren door satellieten in een baan om de aarde en door de parachutes die worden gebruikt om sondes naar het oppervlak van Mars te brengen.

"Dit soort observatie op afstand, gekoppeld aan in situ metingen op grotere hoogte, helpt ons te voorspellen hoe de atmosfeer van Mars zal reageren op seizoensveranderingen en variaties in zonneactiviteit, " voegt Håkan toe. "Het voorspellen van veranderingen in de atmosferische dichtheid is vooral belangrijk voor komende missies, inclusief de ExoMars 2022-missie die een rover en een wetenschappelijk platform aan de oppervlakte zal sturen om het oppervlak van de Rode Planeet te verkennen."