science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Wetenschappers zoeken een beter begrip van de atmosferische chemie van de aarde door Mars te bestuderen

Ozon op Mars begrijpen. Krediet:Europees Ruimteagentschap

Langetermijnstudies van ozon en waterdamp in de atmosfeer van Mars zouden kunnen leiden tot een beter begrip van de atmosferische chemie voor de aarde. Een nieuwe analyse van gegevens van ESA's Mars Express-missie heeft aangetoond dat onze kennis van de manier waarop deze atmosferische gassen met elkaar interageren, onvolledig is.

Met behulp van vier martiaanse jaren van waarnemingen van het SPICAM-instrument (Spectroscopie voor onderzoek naar de kenmerken van de atmosfeer van Mars), wat overeenkomt met zeven en een halve aardse jaren, een team van onderzoekers uit Europa en Rusland ontdekte de kloof in onze kennis toen ze probeerden hun gegevens te reproduceren met een wereldwijd klimaatmodel van Mars.

Ozon en waterdamp zijn geen goede atmosferische metgezellen. De ozon (O 3 ) wordt geproduceerd wanneer moleculen van koolstofdioxide (CO 2 ), die 95% van de atmosfeer van Mars omvat, worden gesplitst door ultraviolette straling van de zon. Beurtelings, de ozon kan worden gesplitst door moleculen die waterstofradicalen (HOX) worden genoemd, die een atoom waterstof en een of meer atomen zuurstof bevatten. De waterstofradicalen zelf worden geproduceerd wanneer waterdamp door ultraviolet licht wordt gesplitst.

Op Mars, aangezien de koolstofdioxide alomtegenwoordig is, er zou een wereldwijde signatuur van ozon moeten zijn - tenzij een bepaalde regio waterdamp bevat. In die omstandigheid, het water wordt gesplitst in waterstofradicalen, die zal reageren met het ozonmolecuul en het uit elkaar trekken.

Dus, overal waar SPICAM waterdamp detecteerde, het had een afname van ozon moeten zien. Hoe meer waterdamp, hoe minder ozon. Het team onderzocht deze omgekeerde relatie, ook wel anticorrelatie genoemd. Ze ontdekten dat ze de algemene inverse aard ervan konden reproduceren met een klimaatmodel, maar niet de precieze relatie konden bereiken. In plaats daarvan, voor een bepaalde hoeveelheid waterdamp, het model produceerde slechts 50% van de ozon die wordt gezien in de SPICAM-gegevens.

"Het suggereert dat de efficiëntie van ozonvernietiging wordt overschat in de computersimulaties, " zegt Franck Lefèvre, van de atmosfeer van het Laboratoire, milieu, waarnemingen spatiales (LATMOS), CNRS/Sorbonne Université, Frankrijk, die de studie leidde.

Momenteel, echter, de reden voor deze overschatting is niet duidelijk. Het is essentieel om het gedrag van waterstofradicalen op Mars te begrijpen. "Het speelt een sleutelrol in de atmosferische chemie van Mars, maar ook in de globale samenstelling van de planeet, ’ zegt Francken.

Het chemische model dat in dit werk wordt gebruikt, is speciaal door Franck en collega's gebouwd om Mars te analyseren. Het was gebaseerd op een model van een deel van de bovenste atmosfeer van de aarde; de mesosfeer. Hier, tussen ongeveer 40-80 kilometer hoogte, de chemie en omstandigheden zijn in grote lijnen vergelijkbaar met die in de atmosfeer van Mars.

Inderdaad, de discrepantie die in de modellen wordt gevonden, kan belangrijke gevolgen hebben voor de manier waarop we het klimaat op aarde simuleren met behulp van atmosferische modellen. Dit komt omdat de mesosfeer op aarde een deel van de ozonlaag bevat, die dezelfde interacties met HOX zullen ervaren als op Mars.

"HOX-chemie is belangrijk voor het wereldwijde evenwicht van de ozonlaag van de aarde, ’ zegt Francken.

Dus, inzicht in wat er in de atmosfeer van Mars gebeurt, kan de precisie waarmee we klimaatsimulaties op aarde kunnen uitvoeren, ten goede komen. En met zoveel gegevens die nu beschikbaar zijn bij SPICAM, de modellering heeft duidelijk aangetoond dat er iets is dat we niet begrijpen.

Zou dat iets de werking van wolken kunnen zijn?

Toen Franck en collega's berekeningen introduceerden voor de manier waarop HOX wordt geabsorbeerd door de ijzige deeltjes waaruit wolken op Mars bestaan, ze ontdekten dat meer ozon in hun modellen overleefde. Dit komt omdat HOX-moleculen werden geabsorbeerd voordat ze de ozon uit elkaar konden trekken. Maar dit verklaarde hun resultaten slechts gedeeltelijk.

"Het werkt niet in alle gevallen, ", zegt Franck. En dus zoekt het team ook elders.

Een specifiek gebied voor verder onderzoek is het meten van reactiesnelheden bij de lage temperaturen in de atmosfeer van Mars en de mesosfeer van de aarde. Momenteel, deze zijn niet zo bekend, en dus kan ook de modellen scheeftrekken.

Nu het huidige werk op een kwantitatieve manier heeft aangetoond waar de hiaten in onze kennis liggen, het team zal meer gegevens verzamelen met behulp van andere UV-instrumenten die op Mars werken, hun onderzoek voortzetten en het model bijwerken.

"Met MarsExpress, we hebben het langste onderzoek van de atmosfeer op Mars tot nu toe voltooid, ongeacht de missie. Wij zijn in 2004 begonnen, en hebben nu 17 jaar aan gegevens, wat ertoe heeft geleid dat we naar bijna zeven Martiaanse jaren op rij hebben gekeken, inclusief vier Marsjaren van gecombineerde ozon- en waterdampmetingen vóór het UV-kanaal van SPICAM, die ozon gemeten, stopte met werken tegen het einde van 2014. Dit is uniek in het verhaal van planetaire verkenning, " voegt Franck Montmessin toe, ook van LATMOS, en de hoofdonderzoeker van het SPICAM-instrument.

Voortbouwend op de buitengewone dataset van Mars Express, er komen nu nieuwe resultaten binnen van ESA's Trace Gas Orbiter, die sinds oktober 2016 om Mars cirkelt. Het draagt ​​twee instrumenten, ACS (Atmospheric Chemistry Suite) en NOMAD (Nadir and Occultation for MARs Discovery) die de atmosfeer van Mars analyseren. NASA's Maven-missie vervoert ook ultraviolette apparatuur die de overvloed aan ozon controleert. Dus, het essentiële stukje informatie dat dit mysterie uiteindelijk ontsluit, kan elk moment komen.

De langetermijnmonitoring van atmosferische parameters en hun variaties door Mars Express levert een unieke dataset op waarmee de atmosfeer van Mars als een complex dynamisch systeem kan worden bestudeerd.

"Misschien zal het optellen van al die jaren uiteindelijk de sleutel zijn tot hoe de HOX echt de atmosfeer van Mars controleert, ten goede komen aan ons begrip van planetaire atmosferen in het algemeen, ', zegt Franck Montmessin.