ExoMars ontdekt nieuw gas en spoort waterverliezen op Mars op

ExoMars neemt waterdamp waar in de atmosfeer van Mars
De ExoMars Trace Gas Orbiter, een gezamenlijke missie van de ESA en het Russische Roscosmos, bestudeert waterdamp en zijn componenten die via de atmosfeer naar de ruimte verdwijnen. Door specifiek naar de verhouding van waterstof naar zijn zwaardere tegenhanger deuterium te kijken van de evolutie van het waterverlies in de tijd worden gevolgd. Credit: ESA

Zeezout dat zich in de stoffige bodem van Mars bevindt en in de atmosfeer van Mars wordt op gewerveld heeft geleid tot de ontdekking van waterstofchloride. Het is voor het eerst dat de ExoMars Trace Gas Orbiter van de ESA/Roscosmos een nieuw gas heeft ontdekt. De ruimtesonde levert ook nieuw informatie over hoe Mars zijn water verliest.

Een belangrijk item bij de verkenning van Mars is het zoeken naar atmosferische gassen die verband houden met biologische of geologische activiteit. Ook het begrijpen van de vroegere en huidige waterinventaris van de planeet zijn belangrijk om te kunnen bepalen of Mars ooit bewoonbaar zou kunnen zijn geweest en of er waterreservoirs toegankelijk zouden kunnen zijn voor toekomstige menselijke verkenning. Twee nieuwe resultaten van het ExoMars-team, gepubliceerd in Science Advances, onthullen een geheel nieuwe klasse van chemie en bieden meer inzicht in seizoensveranderingen en interacties tussen oppervlakte en de atmosfeer als drijvende krachten achter nieuwe waarnemingen.

Een nieuw soort chemie

Voor het eerst is er waterstofchloride aangetroffen op Mars. Het is de eerste waarneming van een halogeen in de atmosfeer van Mars en het betekent een nieuwe chemische cyclus die moet worden begrepen.

Waterstofchloride, HCl, bestaat uit een waterstof- en een chlorideatoom. Marswetenschappers waren altijd al op zoek naar chloor- of op zwavel gebaseerde gassen omdat dit mogelijke indicatoren zijn voor vulkanische activiteit.

Maar de aard van de waterstofchloridewaarnemingen, het feit dat het tegelijkertijd op zeer verre locaties werd gedetecteerd en het gebrek aan andere gassen die verwacht zouden worden bij vulkanische activiteit, wijst op een andere bron. Dat wil zeggen, de ontdekking suggereert een geheel nieuwe interactie tussen atmosfeer en oppervlak aangedreven door de stofseizoenen op Mars, die nog niet eerder was onderzocht.

In een proces dat erg lijkt op dat op Aarde worden zouten in de vorm van natriumchloride, overblijfselen van verdampte oceanen en ingebed in het stoffige oppervlak van Mars, door de wind de atmosfeer in getild. Zonlicht verwarmt de atmosfeer waardoor stof, samen met waterdamp die vrijkomt uit de ijskapen, opstijgt.

Het zoute stof reageert met water in de atmosfeer om zo chloor vrij te maken. Dit chloor reageert vervolgens met moleculen die waterstof bevatten. Hieruit ontstaan waterstofchloride. Bij verdere reacties zou het chloor- of de zoutzuurrijke stof naar het oppervlak kunnen terugkeren. Dit kan wellicht in de vorm van perchloraten. Perchloraten zijn zouten gemaakt van zuurstof en chloor.

Je hebt waterdamp nodig om chloor vrij te maken en je hebt de bijproducten van water, waterstof, nodig om waterstofchloride te maken. In deze chemie is water belangrijk. De onderzoekers hebben ook een verband met stof aangetroffen: als de stofactiviteit toeneemt dan leidt dit tot verhoogde hoeveelheden waterstofchloride moleculen. Dit proces kan gekoppeld worden aan de opwarming gedurende de seizoenen op het zuidelijk halfrond.

Mogelijke HCL-cyclus op Mars
Mogelijke waterstofchloridecyclus op Mars. Credit: ESA

De onderzoekers zagen het gas voor het eerst in 2018 tijdens een hele grote storm. Ze zagen het HCl-gas tegelijkertijd op zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond verschijnen. Aan het eind van de stofperiode verdween het ook weer verrassend snel. Ze zijn inmiddels in de gegevens gedoken van het daaropvolgende stofstormenseizoen om te zien of ook toen HCl verscheen.

De ontdekking van HCl-gas werd gedaan met de Atmospheric Chemistry Suite aan boord van de ruimtesonde. Senioronderzoeker Oleg Korablev is blij dat zijn uitermate gevoelige instrument een nooit eerder gezien gas heeft gevonden in de atmosfeer van Mars. Hun analyses koppelen het ontstaan en het verval van HCl aan het oppervlak van de planeet.

Uitgebreide laboratoriumtesten en nieuwe wereldwijde atmosferische simulaties zijn nodig om de op chloor gebaseerde interactie tussen oppervlak en atmosfeer beter te begrijpen. Daarnaast zullen voortdurende waarnemingen van Mars nodig zijn om te bevestigen dat de opkomst en ondergang van HCl wordt veroorzaakt door de zomer op het zuidelijk halfrond.

De ontdekking van het eerste nieuwe sporengas in de atmosfeer van Mars is een belangrijke mijlpaal voor de TGO-missie. Het is het eerste nieuwe gas dat is ontdekt sinds de claim van methaangas in 2004 door de Europese Mars Express. Deze ontdekking leidde tot de zoektocht naar andere organische moleculen en uiteindelijk tot de ontwikkeling van de TGO-missie die zich voornamelijk met de detectie van nieuwe gassen bezighoudt.

Meer waterdamp bevat aanwijzingen voor klimaatevolutie

Naast nieuwe gassen moeten de TGO-wetenschappers meer leren over hoe Mars zijn water heeft verloren. Ook dit proces houdt verband met de veranderingen van de seizoenen.

Men denkt dat er ooit water over het oppervlak van Mars heeft gestroomd. Dit blijkt uit de talrijke voorbeelden van oude, uitgedroogde valleien en rivierkanalen. Tegenwoordig is het water grotendeels opgesloten in de ijskappen en ondergrondse reservoirs. Mars lekt nog steeds water, in de vorm van waterstof en zuurstof die uit de atmosfeer van de planeet ontsnappen.

Inzicht in het samenspel van potentiële watervoerende reservoirs en hun seizoensgebonden en lange-termijn gedrag is de sleutel tot het begrijpen van de evolutie van het klimaat op Mars. Dit kan door studie van waterdamp en “semi-zwaar” water (hierbij is één waterstofatoom vervangen door een deuteriumatoom. Deuterium is een isotoop van waterstof met een extra neutron).

De verhouding deuterium tot waterstof, de D/H-ratio, is de chronometer. Het is voor wetenschappers een krachtige meeteenheid die hun informatie levert over de geschiedenis van het water op Mars en hoe het verlies van water zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld. Dankzij de TGO kunnen wetenschappers deze chronometer kalibreren en testen op potentiële nieuwe watervoorraden op Mars.

Met de TGO kunnen wetenschappers het opstijgen in de atmosfeer van de water-isotopen volgen. Eerdere metingen gaven alleen het gemiddelde over de diepte van de hele atmosfeer. Dat is volgens onderzoekers meer een 2D-weergave. De TGO zorgt voor een 3D-beeld.

De nieuwe metingen onthullen een dramatische variabiliteit in de verhouding D/H met de hoogte en seizoenen naarmate het water stijgt vanaf zijn oorspronkelijke locatie. De data laten zien dat als water eenmaal volledig is verdampt het zorgt voor een toename van semi-zwaar water en een D/H-verhouding die zes keer groter is dan die op Aarde. Dit bevestigt dat er in de loop van de tijd grote hoeveelheden water verloren zijn gegaan.

De ExoMars-data tussen april 2018 en april 2019 vertoonden drie gebeurtenissen waarbij er versnelt water verdween uit de atmosfeer: de planeetomvattende stofstorm van 2018, een korte maar hevige lokale storm in januari 2019 en het vrijkomen van water van de zuidelijke poolkap tijdens de zomermaanden. Bijzonder opmerkelijk is een pluim opstijgende waterdamp tijdens de zuidelijke zomer die mogelijk op seizoens- en jaarbasis water in de bovenste atmosfeer kan injecteren.

Toekomstige gecoördineerde waarnemingen met andere ruimtevaartuigen zoals de MAVEN van de NASA die zich richt op de bovenste atmosfeer, zullen aanvullende inzichten verschaffen in de evolutie van water gedurende het jaar op Mars.

De veranderende seizoenen op Mars, en in het bijzonder de relatief hete zomer op het zuidelijk halfrond, lijken de drijvende kracht te zijn achter deze nieuwe waarnemingen, zoals het verhoogde atmosferische waterverlies en de stofactiviteit die verband houdt met de detectie van waterstofchloride. De waarnemingen van de Trace Gas Orbiter stellen wetenschappers in staat om de atmosfeer van mars als nooit tevoren te verkennen.

Artikelen: “Transient HCl in the atmosphere of Mars” and “Water heavily fractionated as it ascends on Mars”

 

Eerste publicatie: 15 februari 2021
Bron: Spacedaily en anderen