Verspreide holtes van magnetisme over het oppervlak van Mars hebben een significante invloed op de bovenste atmosfeer van de planeet, volgens waarnemingen van ESA's Mars Express. Het begrijpen van deze effecten kan cruciaal zijn om veilige radiocommunicatie tussen Mars en de aarde te garanderen en, eventueel, tussen ontdekkingsreizigers op het oppervlak van de planeet.

Het magnetisch veld van de aarde wordt gedomineerd door een enkel, sterke bron:de dynamo diep onder het aardoppervlak. Echter, hetzelfde kan niet gezegd worden voor Mars. In plaats van een enkele bron van magnetisch veld te bezitten, Mars heeft er veel.

De Rode Planeet heeft talloze zakken van sterk magnetisme opgesloten in zijn korst, overblijfselen uit de vroegste dagen. Het huidige Mars staat misschien bekend om zijn relatieve gebrek aan magnetisme, maar de jonge Mars was waarschijnlijk een andere wereld; het was waarschijnlijk warmer en natter, met een dichtere atmosfeer en een hetere kern. Wetenschappers geloven dat de jonge planeet ook een groot magnetisch veld had, aangedreven door de circulerende beweging van gesmolten materiaal in zijn kern (bekend als een planetaire dynamo).

Dit mondiale veld is lang geleden uitgeschakeld - waarschijnlijk toen de kern afkoelde en stolde, de dynamo op zijn plaats bevriezen - maar de planeet heeft nog steeds abnormale flarden van sterk overgebleven magnetisme verspreid over het oppervlak, bekend als 'korstvelden'.

Magnetische herinneringen aan het vroege Mars

Delen van de korst en het gesteente van Mars blijven vandaag gemagnetiseerd vanwege een fenomeen dat bekend staat als 'ferromagnetisme'. die aanhoudt, zelfs wanneer het externe magnetische veld niet langer aanwezig is (zoals het geval is bij Mars).

De korst van Mars koelde af tot onder een specifieke temperatuur - bekend als de Curie-temperatuur - toen de kerndynamo van de planeet, en dus zijn magnetisch veld, was nog steeds actief en aanwezig, waardoor restmagnetisme permanent wordt opgesloten in ferro (ijzerhoudend) materiaal in de korst. Vergelijkbare magnetische velden in de aardkorst zijn ook te vinden op de aarde en de maan.

Deze velden kunnen later worden verwijderd door materiaal opnieuw te verwarmen tot boven de Curie-temperatuur - via grote schokken, bijvoorbeeld – en vervolgens weer laten afkoelen in afwezigheid van een magnetisch veld.

Men denkt dat magnetisme op deze manier uit grote stukken van de Marskorst is weggevaagd, maar grote delen van het zuiden, en kleinere delen van het noorden, halfrond van Mars tot op zekere hoogte gemagnetiseerd blijven, met zakken over de hele wereld verspreid. Deze aardkorstvelden zijn sterk genoeg om kenmerken in de bovenste atmosfeer van Mars aan te sturen die lijken op de aurorae die op aarde worden gezien - dergelijke kenmerken zijn waargenomen door ESA's Mars Express).

"Ze kunnen zwak zijn in termen van absolute sterkte - gemiddeld honderden nanotesla in de bovenste atmosfeer, of tussen 0,1 en 1 procent van de veldsterkte geproduceerd door de dynamo van de aarde op de equivalente hoogte - maar de aardkorstvelden van Mars zijn aanzienlijk sterker dan die op de aarde of de maan, " zegt Markus Fraenz van het Max Planck Institute for Solar System Research in Göttingen, Duitsland. "Dit geeft aan dat het dynamoveld van Mars ooit minstens zo sterk was als dat van de aarde - maar om zulke sterke stukken magnetisatie van de overblijfselen van de aardkorst te produceren, het was waarschijnlijk sterker dan die van onze planeet ooit is geweest."

Helaas heeft nog geen enkele lander of rover deze plaatsen van sterke magnetisatie bereikt, maar uitgebreide observaties van langlevende orbiters zoals NASA's Mars Global Surveyor en ESA's Mars Express hebben wetenschappers geholpen om de magnetische omgeving van Mars te karakteriseren.

Mars Express draait sinds 2003 in een baan om Mars. en heeft talloze studies voltooid met behulp van zijn MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) en ASPERA-3 (Analyser of Space Plasmas and Energetic Atoms) instrumenten om het effect van deze aardkorstvelden op de ionosfeer van Mars te onderzoeken.

"De aardkorstvelden van Mars lijken het plasma in de bovenste atmosfeer van de planeet sterk te beheersen, " zegt David Andrews van het Swedish Institute of Space Physics in Uppsala. Meer specifiek, ze tasten een laag zwak geïoniseerd gas aan die bekend staat als de ionosfeer, die ingeklemd zit tussen het grootste deel van de neutrale atmosfeer van Mars en de intense straling van de ruimte (inclusief de zonnewind, een stroom van geladen deeltjes – protonen en elektronen – afkomstig van de zon).

Klimmend plasma in de ionosfeer van Mars

De ionosfeer van Mars lijkt in veel opzichten op die van de aarde, zoals de typische dichtheden, hoogtes, enzovoort. "De ionosfeer van de aarde is wat complexer qua structuur, en heeft een groter aantal verschillende lagen, ", zegt Andrews. "Dit komt deels doordat de atmosfeer van de aarde een mengsel is van stikstof en zuurstof, in tegenstelling tot de door CO2 gedomineerde atmosfeer van Mars."

De aardkorstvelden van Mars beïnvloeden de beweging en dynamiek van zijn ionosferische plasma, beïnvloeden hoe het circuleert, accumuleert, en ontsnapt naar de ruimte. Bijvoorbeeld, plasma stijgt naar veel grotere hoogten dan verwacht in regio's met verticaal georiënteerde aardkorstvelden, en gebieden met sterkere aardkorstvelden worden bedekt door dichtere en uitgebreidere lagen ionosfeer dan zwakkere of afwezige velden.

De ionosfeer van Mars bevindt zich op de grens tussen de lagere atmosfeer van Mars en de zonnewind, die vanuit de zon de ruimte instroomt. De zonnewind sleept ook het magnetische veld van de zon het zonnestelsel in terwijl het reist, het creëren van het interplanetair magnetisch veld (IMF).

Toen ze in de buurt van Mars werden gesleept, IMF-veldlijnen kunnen verbinding maken met de veldlijnen die afkomstig zijn van sommige delen van de korst van Mars (een proces dat bekend staat als 'magnetische herverbinding'). Door dit proces kan plasma omhoog racen langs de nieuw gecreëerde lijnen en ontsnappen naar de ruimte, het creëren van nauwe holtes in de ionosfeer van Mars die relatief weinig elektronen bevatten.

"De grote vraag echter, is of deze aardkorstvelden de snelheid beïnvloeden waarmee Mars zijn atmosfeer aan de ruimte verliest en zo ja, hoe, ", zegt Andrews. "Het is waarschijnlijk dat hoewel plasma opnieuw wordt geconfigureerd in regio's waar het veld sterk is, de langetermijngemiddelden van atmosferische ontsnapping zijn niet enorm verschillend - maar we weten het niet zeker."

Van dag naar nacht

Het gedrag en de eigenschappen van de ionosfeer verschillen tussen het gebied het dichtst bij de zon (de 'dagzijde', tussen Mars en de Zon) en dat zich daarvan af uitstrekt (de 'nachtzijde', staart weg van Mars naar de buitenste zonnestelsel).

Mars Express-gegevens hebben aangetoond dat de ionosfeer aan de dagzijde verrassend complex en variabel is, met elektronendichtheden en gestructureerde plasmalagen die abrupt en inconsistent veranderen. De satelliet heeft ook aangegeven hoeveel er te begrijpen valt over de nachtzijde, en waarom sommige eigenschappen aanzienlijk verschillen van de dagzijde.

Het proces van plasma-ontsnapping via magnetische herverbinding, bijvoorbeeld, is vooral efficiënt aan de dag-nachtgrens (de regio's rond deze grens, of terminator, worden soms 'ochtend' en 'avond' of 'dageraad' en 'schemering' genoemd). evenzo, de ionosfeer aan de dagzijde is zowel dichter en strekt zich uit tot grotere hoogten over korstanomalieën dan aan de nachtzijde. Plasma lijkt ook overdag richting Mars te stromen, en weg bij de dag-nacht grens.

In het algemeen, het aantal en de dichtheid van elektronen in de ionosfeer neemt toe met de veldsterkte gedurende de dag en op de grens tussen dag en nacht - maar aan de nachtzijde, het tegenovergestelde is waar. De ionosfeer aan de nachtzijde van Mars is fragmentarisch; het wordt aangevuld door een deel van het plasma uit de ionosfeer aan de dagzijde, en door elektronen te laten neerslaan uit de zonnewind en de magnetosfeer (het gebied van de ruimte waarover het kleine intrinsieke magnetische veld van Mars domineert).

"Dit alles versterkt het idee dat de plasma-omgeving van Mars sterk wordt beïnvloed door zowel de niveaus van binnenkomende zonnestraling, en de sterkte en verdeling van de aardkorstvelden, " zegt Eduard Dubinin van het Max Planck Institute for Solar System Research in Göttingen, Duitsland. "We moeten veel meer begrijpen over deze interacties en over de ionosfeer van Mars in het algemeen om een ​​gedetailleerd beeld te schetsen van de evolutie van Mars op langere termijn in termen van klimaat, bewoonbaarheid, verlies van water en atmosfeer, en meer."

Problemen voor Red Planet-radio?

Naast het vormen van een beter wetenschappelijk begrip van Mars als planeet, meer weten over de ionosfeer van Mars en de aardkorstvelden is van vitaal belang voor missies die momenteel op Mars zijn, en voor degenen die in de toekomst zijn gepland (inclusief bemande missies).

Bijvoorbeeld, de ionosfeer bepaalt hoe, wanneer, en waar de radarapparatuur van Mars Express (MARSIS) kan werken. De ionosfeer aan de dagzijde van Mars is dichter en reflecteert meer radiogolven. MARSIS kan dus de ionosfeer van Mars aan de dagzijde onderzoeken, aangezien het plasma daar binnenkomende radarpulsen weerkaatst op de juiste frequenties (~MHz). Aan de nachtzijde, echter, MARSIS voert ondergronds klinken uit. De radiogolven van het instrument reiken door de relatief schaarse ionosfeer en kunnen veel verder komen voordat ze worden weerkaatst. het oppervlak van Mars bereiken en tot ongeveer 10 km lager.

"MARSIS kan de verschillende eigenschappen van de ionosfeer benutten, waardoor het een geweldig instrument is om zowel de ionosfeer als de ondergrond van Mars te onderzoeken, " zegt Dmitri Titov, projectwetenschapper voor ESA's Mars Express.

De variabiliteit van de ionosfeer van Mars kan een probleem zijn, echter, voor alle communicatie op het oppervlak van Mars.

Landers en rovers op Mars communiceren met de aarde via een orbiter, die op zijn beurt radiofrequenties (GHz) gebruikt die hoog genoeg zijn om de ionosfeer geen enorm obstakel te laten zijn. Echter, dit kan een groter probleem worden als en wanneer mensen voet op de planeet zetten.

"Kortegolf radiocommunicatie (MHz) op het oppervlak kan worden beïnvloed door de variabiliteit van de ionosfeer van Mars, vooral rond sterkere aardkorstvelden, en ons begrip hier is nog steeds onvolledig, ", voegt Titov toe. "Het is essentieel om meer te weten te komen over de magnetische en plasma-omgeving van Mars. Bevindingen zoals deze van Mars Express zijn cruciaal voor onze voortdurende verkenning van het zonnestelsel, of het nu met robots of menselijke bemanningen is."