Terwijl de energetische deeltjes van de zonnewind door de interplanetaire ruimte gaan, hun beweging wordt gewijzigd door objecten op hun pad. Een onderzoek, gebaseerd op gegevens van ESA's Mars Express-orbiter, heeft nieuw licht geworpen op een verrassende interactie tussen de planeet Mars en supersonische deeltjes in de zonnewind.

Wetenschappers zijn zich er al lang van bewust dat een functie die bekend staat als een boegschok zich stroomopwaarts van een planeet vormt - ongeveer zoals de boeg van een schip, waar het water wordt afgeremd en vervolgens om het obstakel heen wordt geleid.

De boegschok markeert een vrij scherpe grens waar de zonnewind plotseling vertraagt ​​wanneer hij in de magnetosfeer of buitenste atmosfeer van een planeet begint te ploegen.

In het geval van Mars, die geen globaal magnetisch veld genereert en een dunne atmosfeer heeft, het belangrijkste obstakel voor de zonnewind is de ionosfeer - een gebied van elektrisch geladen deeltjes in de bovenste atmosfeer.

Verder, de relatief kleine omvang, massa en zwaartekracht van Mars maken de vorming van een uitgebreide exosfeer mogelijk - de buitenste laag van de atmosfeer, waar gasvormige atomen en moleculen de ruimte in ontsnappen en direct interageren met de zonnewind.

Waarnemingen die gedurende vele decennia door talloze ruimtevaartuigen zijn gedaan, hebben aangetoond dat variaties in de ionosfeer en exosfeer een rol spelen bij veranderingen in de locatie van de boegschokgrens.

Zoals verwacht, de afstand van de Mars-boogschok tot de planeet neemt toe naarmate de dynamische druk van de zonnewind afneemt. Dit is vergelijkbaar met een verzwakking van de boeggolf voor een schip als de stroming van het water vertraagt.

Anderzijds, toenames in de afstand van de Mars-boogschok vallen samen met toenames in de hoeveelheid binnenkomende zonnestraling bij extreem ultraviolette (EUV) golflengten. Bijgevolg, de snelheid waarmee ionen en elektronen worden geproduceerd uit atomen en moleculen in de bovenste atmosfeer neemt toe. Dit resulteert in een verhoogde thermische druk in de ionosfeer, waardoor het de inkomende zonnewindstroom beter kan tegengaan.

Tegelijkertijd, nieuw gecreëerde ionen in de uitgebreide exosfeer worden opgepikt en versneld door de elektromagnetische velden die door de zonnewind worden gedragen. Het resultaat is een vertraging van de zonnewind en een verschuiving in de positie van de boegschok.

Een andere mogelijke factor die de locatie van de boegschok beïnvloedt, is de baan van Mars. De afstand van de planeet tot de zon is veel elliptischer dan die van de aarde, variërend van 206 miljoen km tot 249 miljoen km – een verschil van 20 procent.

Een team van Europese wetenschappers heeft onderzocht hoe en waarom de locatie van de boegschok tijdens het Marsjaar varieert. In een artikel dat online is gepubliceerd in het nummer van 21 november 2016 van de Journal of Geophysical Research:Ruimtefysica , het team heeft meer dan vijf Marsjaren aan metingen geanalyseerd met de Mars Express Analyzer of Space Plasma and EneRgetic Atoms (ASPERA-3) Electron Spectrometer (ELS) om 11 861 boogschokovergangen te identificeren. Dit is de eerste analyse van de boegschok die is gebaseerd op gegevens die over zo'n lange periode en tijdens alle Marsseizoenen zijn verkregen.

Terwijl Mars Express de boegschok van Mars passeert, registreert het ELS-instrument typisch een plotselinge toename van de flux van elektronen over een breed scala aan energieën (meestal tot een paar honderd eV).

De wetenschappers ontdekten dat, gemiddeld, de boegschok is dichter bij Mars in de buurt van aphelium (het verste punt van de planeet van de zon), en verder weg van Mars in de buurt van het perihelium (het dichtste punt van de planeet bij de zon). De gemiddelde afstand van de boegschok tot Mars, wanneer gemeten van boven de terminator (de dag-nachtgrens) een minimum bereikt van 8102 km rond het aphelium, terwijl de maximale afstand van 8984 km rond het perihelium plaatsvindt. Dit is een algemene variatie van ongeveer 11 procent tijdens elke baan om Mars.

Het team verifieerde ook eerdere bevindingen dat de boegschok op het zuidelijk halfrond, gemiddeld, verder van Mars verwijderd dan op het noordelijk halfrond. Echter, deze halfronde asymmetrie is klein (een totale afstandsvariatie van 2,4 procent), en dezelfde jaarlijkse variaties in de boegschok treden op ongeacht het halfrond.

Zonnewinddichtheid (en, daarom, dynamische druk), de sterkte van het interplanetaire magnetische veld, en zonnestraling, zullen allemaal naar verwachting afnemen met de afstand tot de zon. Aangezien deze parameters de locatie van de boegschok op verschillende manieren beïnvloeden, het team wilde weten wat de dominante factor is gedurende het hele Marsjaar.

Hun enigszins verrassende ontdekking was dat de locatie van de boegschok gevoeliger is voor variaties in de EUV-output van de zon dan voor dynamische drukvariaties van de zonnewind.

Dit kan grotendeels te wijten zijn aan de algemeen erkende impact van EUV op de dichtheid en thermische druk van de ionosfeer, en de uitbreiding van de exosfeer (zie hierboven). Deze processen creëren buffers tegen de zonnewind.

Echter, de variaties in boogschokafstand correleren ook met jaarlijkse veranderingen in de hoeveelheid stof in de atmosfeer van Mars. Het stofstormseizoen op Mars vindt plaats rond het perihelium, wanneer de planeet warmer is en meer zonnestraling ontvangt.

"Er is eerder aangetoond dat stofstormen interageren met de bovenste atmosfeer en ionosfeer van Mars, dus er kan een indirecte koppeling zijn tussen de stofstormen en de locatie van de boegschok, " zei Benjamin Hall, hoofdauteur van het artikel, die tot voor kort aan de Universiteit van Leicester werkte, en is momenteel onderzoeker aan de Lancaster University, VK.

"Echter, we trekken geen verdere conclusies over hoe de stofstormen rechtstreeks van invloed kunnen zijn op de locatie van de Mars-boogschok en laten een dergelijk onderzoek over aan een toekomstige studie.

"Het lijkt waarschijnlijk dat geen enkel mechanisme onze waarnemingen kan verklaren, maar eerder een gecombineerd effect van alle. Op dit moment kan geen van hen worden uitgesloten.

"Toekomstig onderzoek naar verbanden tussen atmosferische stofbelasting en de bovenste atmosfeer van Mars is nodig, met gezamenlijke onderzoeken door ESA's Mars Express en Trace Gas Orbiter, en de MAVEN-missie van NASA. Vroege gegevens van MAVEN lijken de trends die we hebben ontdekt te bevestigen."

"Vergelijkbare onderzoeken werden gedaan door het ASPERA-instrument dat aan boord van de Venus Express-orbiter werd gevlogen, waardoor we fysieke processen en omstandigheden kunnen vergelijken op twee zeer verschillende planeten die beide zwakke magnetische velden hebben, " zei Dmitri Titov, ESA's Mars Express-projectwetenschapper.

"Dit toont de waarde aan van het gebruik van dezelfde instrumenten om verschillende werelden te verkennen."