De lage zwaartekracht en het gebrek aan magnetisch veld van de Rode Planeet maken de buitenste atmosfeer tot een gemakkelijk doelwit om weggevaagd te worden door de zonnewind. maar nieuw bewijs van ESA's Mars Express-ruimtevaartuig toont aan dat de straling van de zon een verrassende rol kan spelen bij zijn ontsnapping.

Waarom de atmosferen van de rotsachtige planeten in het binnenste zonnestelsel in de loop van 4,6 miljard jaar zo verschillend zijn geëvolueerd, is essentieel om te begrijpen wat een planeet bewoonbaar maakt. Terwijl de aarde een levensrijke waterwereld is, onze kleinere buur Mars verloor vroeg in zijn geschiedenis veel van zijn atmosfeer, transformeren van een warme en natte omgeving naar de koude en dorre vlaktes die we vandaag waarnemen. Daarentegen, andere buur van de aarde Venus, dat, hoewel het tegenwoordig onherbergzaam is, qua grootte vergelijkbaar is met onze eigen planeet, en heeft een dichte atmosfeer.

Een manier waarvan vaak wordt gedacht dat het de atmosfeer van een planeet helpt beschermen, is via een intern gegenereerd magnetisch veld, zoals op aarde. Het magnetische veld buigt geladen deeltjes van de zonnewind af als ze wegstromen van de zon, het uithakken van een beschermende 'bel' – de magnetosfeer – rond de planeet.

Op Mars en Venus, die geen intern magnetisch veld genereren, het belangrijkste obstakel voor de zonnewind is de bovenste atmosfeer, of ionosfeer. Net als op aarde, ultraviolette zonnestraling scheidt elektronen van de atomen en moleculen in dit gebied, het creëren van een gebied van elektrisch geladen – geïoniseerd – gas:de ionosfeer. Bij Mars en Venus werkt deze geïoniseerde laag rechtstreeks samen met de zonnewind en zijn magnetisch veld om een ​​geïnduceerde magnetosfeer te creëren, die werkt om de zonnewind rond de planeet te vertragen en om te leiden.

14 jaar lang, ESA's Mars Express heeft gekeken naar geladen ionen, zoals zuurstof en koolstofdioxide, naar de ruimte stromen om beter te begrijpen met welke snelheid de atmosfeer van de planeet ontsnapt.

De studie heeft een verrassend effect ontdekt, waarbij de ultraviolette straling van de zon een belangrijkere rol speelt dan eerder werd gedacht.

"Vroeger dachten we dat de ionenontsnapping plaatsvindt door een effectieve overdracht van de zonnewindenergie door de door Mars geïnduceerde magnetische barrière naar de ionosfeer, " zegt Robin Ramstad van het Swedish Institute of Space Physics, en hoofdauteur van de Mars Express-studie.

"Misschien contra-intuïtief, wat we feitelijk zien is dat de verhoogde ionenproductie veroorzaakt door ultraviolette zonnestraling de atmosfeer van de planeet afschermt van de energie die wordt gedragen door de zonnewind, maar er is eigenlijk heel weinig energie nodig om de ionen vanzelf te laten ontsnappen, vanwege de lage zwaartekracht die de atmosfeer aan Mars bindt."

De ioniserende aard van de straling van de zon blijkt meer ionen te produceren dan door de zonnewind kunnen worden verwijderd. Hoewel de verhoogde ionenproductie helpt om de lagere atmosfeer te beschermen tegen de energie die door de zonnewind wordt gedragen, de verwarming van de elektronen blijkt onder alle omstandigheden voldoende te zijn om ionen mee te slepen, het creëren van een 'poolwind'. De zwakke zwaartekracht van Mars - ongeveer een derde van die van de aarde - betekent dat de planeet deze ionen niet kan vasthouden en dat ze gemakkelijk de ruimte in kunnen ontsnappen. ongeacht de extra energie geleverd door een sterke zonnewind.

Bij Venus, waar de zwaartekracht vergelijkbaar is met die van de aarde, er is veel meer energie nodig om de atmosfeer op deze manier te strippen, en ionen die de zonzijde verlaten, zouden waarschijnlijk terugvallen naar de planeet aan de lijzijde, tenzij ze verder worden versneld.

"We concluderen daarom dat in de huidige tijd, ionenontsnapping van Mars is voornamelijk productiebeperkt, en niet energiebeperkt, overwegende dat het bij Venus waarschijnlijk energiebeperkt is gezien de grotere zwaartekracht en hoge ionisatiesnelheid van de grotere planeet, dichter bij de zon zijn, ’ voegt Robbin toe.

"Met andere woorden, de zonnewind had waarschijnlijk slechts een zeer klein direct effect op de hoeveelheid Mars-atmosfeer die in de loop van de tijd verloren is gegaan, en verbetert eerder alleen de versnelling van reeds ontsnappende deeltjes."

"Continue monitoring van Mars sinds 2004, die de verandering in zonneactiviteit van zonneminimum naar maximum omvatte, geeft ons een grote dataset die van vitaal belang is om het langetermijngedrag van de atmosfeer van een planeet en de interactie met de zon te begrijpen, " zegt Dmitri Titov, ESA's Mars Express-projectwetenschapper. "Samenwerking met NASA's MAVEN-missie, die sinds 2014 op Mars is, stelt ons ook in staat om de atmosferische ontsnappingsprocessen in meer detail te bestuderen."

De studie heeft ook implicaties voor het zoeken naar aardachtige atmosferen elders in het universum.

"Misschien is een magnetisch veld niet zo belangrijk bij het afschermen van de atmosfeer van een planeet als de zwaartekracht zelf, die bepaalt hoe goed het kan vasthouden aan zijn atmosferische deeltjes nadat ze zijn geïoniseerd door de straling van de zon, ongeacht de kracht van de zonnewind, ", voegt Dmitri toe.