Nieuw bewijs van de impact van de recente planeetomvattende stofstorm op het water in de atmosfeer, en een verrassend gebrek aan methaan, behoren tot de wetenschappelijke hoogtepunten van het eerste jaar van de ExoMars Trace Gas Orbiter in een baan om de aarde.

Er zijn twee artikelen gepubliceerd in het tijdschrift Natuur vandaag de nieuwe resultaten beschrijvend, en gerapporteerd in een speciale persconferentie bij de European Geosciences Union in Wenen.

Een derde papier, ingediend bij de Proceedings van de Russische Academie van Wetenschappen , presenteert de meest gedetailleerde kaart die ooit is gemaakt van waterijs of gehydrateerde mineralen in de ondiepe ondergrond van Mars.

De gezamenlijke ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter, of TGO, aangekomen bij de Rode Planeet in oktober 2016, en bracht meer dan een jaar door met het gebruik van de aerobraking-techniek die nodig was om zijn wetenschappelijke baan van twee uur te bereiken, 400 km boven het oppervlak van Mars.

"We zijn verheugd met de eerste resultaten van de Trace Gas Orbiter, " zegt Håkan Svedhem, ESA's TGO-projectwetenschapper.

"Onze instrumenten presteren buitengewoon goed en zelfs in de eerste paar maanden van observatie leverden ze al uitstekende gegevens op een veel hoger niveau dan eerder was bereikt."

De belangrijkste wetenschappelijke missie van TGO begon eind april 2018, slechts een paar maanden voor het begin van de wereldwijde stofstorm die uiteindelijk zou leiden tot de ondergang van NASA's Opportunity-rover na 15 jaar rondzwerven over het oppervlak van Mars.

Ruimtevaartuig in een baan, echter, unieke waarnemingen konden doen, met TGO die het begin en de ontwikkeling van de storm volgde en hoe de toename van stof de waterdamp in de atmosfeer beïnvloedde - belangrijk voor het begrijpen van de geschiedenis van water op Mars in de loop van de tijd.

De stofstorm benutten

Twee spectrometers aan boord - NOMAD en ACS - maakten de eerste zonne-occultatiemetingen met hoge resolutie van de atmosfeer, kijken naar de manier waarop zonlicht wordt geabsorbeerd in de atmosfeer om de chemische vingerafdrukken van de ingrediënten te onthullen.

Dit maakte de verticale verdeling van waterdamp en 'semi-zwaar' water mogelijk - waarbij één waterstofatoom werd vervangen door een deuteriumatoom, een vorm van waterstof met een extra neutron - te plotten van dichtbij het oppervlak van Mars tot boven 80 km hoogte. De nieuwe resultaten volgen de invloed van stof in de atmosfeer op water, samen met het ontsnappen van waterstofatomen in de ruimte.

"Op de noordelijke breedtegraden zagen we kenmerken zoals stofwolken op een hoogte van ongeveer 25-40 km die er eerder niet waren, en op zuidelijke breedtegraden zagen we stoflagen naar grotere hoogten bewegen, " zegt Ann Carine Vandaele, hoofdonderzoeker van het NOMAD-instrument aan het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aëronomie.

"De versterking van waterdamp in de atmosfeer gebeurde opmerkelijk snel, gedurende slechts een paar dagen tijdens het begin van de storm, wat wijst op een snelle reactie van de atmosfeer op de stofstorm."

De waarnemingen zijn consistent met mondiale circulatiemodellen. Stof absorbeert de straling van de zon, het omringende gas verwarmen en laten uitzetten, op zijn beurt herverdelen andere ingrediënten - zoals water - over een breder verticaal bereik. Er wordt ook een hoger temperatuurcontrast tussen equatoriale en poolgebieden ingesteld, versterking van de atmosferische circulatie. Tegelijkertijd, dankzij de hogere temperaturen, er vormen zich minder waterijswolken - normaal gesproken zouden ze waterdamp beperken tot lagere hoogten.

De teams maakten ook de eerste waarneming van halfzwaar water tegelijk met waterdamp, het verstrekken van belangrijke informatie over de processen die de hoeveelheid waterstof- en deuteriumatomen regelen die naar de ruimte ontsnappen. Het betekent ook dat de deuterium-tot-waterstof (D/H)-verhouding kan worden afgeleid, wat een belangrijke marker is voor de evolutie van de watervoorraad op Mars.

"We zien dat water, gedeutereerd of niet, is erg gevoelig voor de aanwezigheid van ijswolken, voorkomen dat het hogere atmosferische lagen bereikt. Tijdens het onweer, water bereikte veel grotere hoogten, "zegt Ann Carine. "Dit werd in theorie lange tijd door modellen voorspeld, maar dit is de eerste keer dat we het hebben kunnen waarnemen."

Aangezien wordt voorspeld dat de D/H-verhouding zal veranderen met het seizoen en met de breedtegraad, De aanhoudende regionale en seizoensmetingen van TGO zullen naar verwachting verder bewijs leveren van de processen die in het spel zijn.

Methaanmysterie plot dikker

De twee complementaire instrumenten begonnen ook met het meten van sporengassen in de atmosfeer van Mars. Sporengassen bezetten minder dan één volumeprocent van de atmosfeer, en vereisen zeer nauwkeurige meettechnieken om hun exacte chemische vingerafdrukken in de samenstelling te bepalen. De aanwezigheid van sporengassen wordt doorgaans gemeten in 'parts per billion by volume' (ppbv), dus voor het voorbeeld van de methaanvoorraad van de aarde van 1800 ppbv, voor elke miljard moleculen, 1800 zijn methaan.

Methaan is van bijzonder belang voor Mars-wetenschappers, omdat het een handtekening van het leven kan zijn, evenals geologische processen – op aarde, bijvoorbeeld, 95% van het methaan in de atmosfeer is afkomstig van biologische processen. Omdat het kan worden vernietigd door zonnestraling op tijdschalen van enkele honderden jaren, elke detectie van het molecuul in de huidige tijd impliceert dat het relatief recent moet zijn vrijgekomen - zelfs als het methaan zelf miljoenen of miljarden jaren geleden werd geproduceerd en tot nu toe gevangen bleef in ondergrondse reservoirs. In aanvulling, sporengassen worden dagelijks efficiënt gemengd dicht bij het aardoppervlak, met wereldwijde windcirculatiemodellen die dicteren dat methaan binnen een paar maanden gelijkmatig over de planeet zou worden gemengd.

Over meldingen van methaan in de atmosfeer van Mars is intensief gediscussieerd, omdat detecties zeer sporadisch zijn geweest in tijd en locatie, en vielen vaak op de grens van de detectielimieten van de instrumenten. ESA's Mars Express leverde een van de eerste metingen vanuit een baan om de aarde in 2004, op dat moment wijzend op de aanwezigheid van methaan ter grootte van 10 ppbv.

Telescopen op aarde hebben ook zowel niet-detecties als transiënte metingen gerapporteerd tot ongeveer 45 ppbv, terwijl NASA's Curiosity-rover, het verkennen van Gale Crater sinds 2012, heeft een achtergrondniveau van methaan gesuggereerd dat varieert met de seizoenen tussen ongeveer 0,2 en 0,7 ppbv - met enkele hogere pieken. Recenter, Mars Express nam een ​​dag na een van de hoogste metingen van Curiosity een methaanpiek waar.

De nieuwe resultaten van TGO bieden de meest gedetailleerde wereldwijde analyse tot nu toe, het vinden van een bovengrens van 0,05 ppbv, dat is, 10-100 keer minder methaan dan alle eerder gerapporteerde detecties. De meest nauwkeurige detectielimiet van 0,012 ppbv werd bereikt op 3 km hoogte.

Als bovengrens, 0,05 ppbv komt nog steeds overeen met maximaal 500 ton methaan uitgestoten gedurende een voorspelde levensduur van 300 jaar van het molecuul, wanneer alleen rekening wordt gehouden met atmosferische vernietigingsprocessen, maar verspreid over de hele atmosfeer, dit is extreem laag.

"We hebben mooie, zeer nauwkeurige gegevens die signalen van water traceren binnen het bereik van waar we methaan zouden verwachten, maar toch kunnen we slechts een bescheiden bovengrens rapporteren die wijst op een wereldwijde afwezigheid van methaan, ", zegt ACS-hoofdonderzoeker Oleg Korablev van het Space Research Institute, Russische Academie van Wetenschappen, Moskou.

"De uiterst nauwkeurige metingen van de TGO lijken op gespannen voet te staan ​​met eerdere detecties; om de verschillende datasets met elkaar te verzoenen en de snelle overgang van eerder gerapporteerde pluimen naar de ogenschijnlijk zeer lage achtergrondniveaus te evenaren, we moeten een methode vinden die methaan efficiënt vernietigt dicht bij het oppervlak van de planeet."

"Net zoals de vraag naar de aanwezigheid van methaan en waar het vandaan zou kunnen komen, zoveel discussie heeft veroorzaakt, dus de vraag waar het heen gaat, en hoe snel het kan verdwijnen, even interessant is, " zegt Håkan.

"We hebben nog niet alle puzzelstukjes of zien het volledige plaatje nog niet, maar daarom zijn we er met TGO, een gedetailleerde analyse van de atmosfeer maken met de beste instrumenten die we hebben, om beter te begrijpen hoe actief deze planeet is - of het nu geologisch of biologisch is."

Beste kaart van ondiep grondwater

Terwijl het levendige debat over de aard en aanwezigheid van methaan voortduurt, één ding is zeker:er was ooit water op Mars – en dat bestaat nog steeds in de vorm van waterijs, of als met water gehydrateerde mineralen. En waar water was, er zou leven kunnen zijn.

Om de locatie en geschiedenis van water op Mars te helpen begrijpen, TGO's neutron detector FREND is mapping the distribution of hydrogen in the uppermost metre of the planet's surface. Hydrogen indicates the presence of water, being one of the constituents of the water molecule; it can also indicate water absorbed into the surface, or minerals that were formed in the presence of water.

The instrument's mapping task will take about one Mars year – almost two Earth years – to produce the best statistics to generate the highest quality map. But the first maps presented based on just a few month's data already exceed the resolution of previous measurements.

"In just 131 days the instrument had already produced a map that has a higher resolution than that of the 16 years data from its predecessor onboard NASA's Mars Odyssey – and it is set to continue getting better, " says Igor Mitrofanov, principal investigator of the FREND instrument at the Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow.

Aside from the obviously water-rich permafrost of the polar regions, the new map provides more refined details of localised 'wet' and 'dry' regions. It also highlights water-rich materials in equatorial regions that may signify the presence of water-rich permafrost in present times, or the former locations of the planet's poles in the past.

"The data is continually improving and we will eventually have what will become the reference data for mapping shallow subsurface water-rich materials on Mars, crucial for understanding the overall evolution of Mars and where all the present water is now, " adds Igor. "It is important for the science on Mars, and it is also valuable for future Mars exploration."

"We have already been enjoying beautiful images and stereo views of Mars thanks to the TGO's imaging system and now we are delighted to share the first look at data from the other instruments, " concludes Håkan.

"We have a promising future in contributing to the many fascinating aspects of Mars science, from the distribution of subsurface water, to active surface processes and to the mysteries of the martian atmosphere."