ExoMars ziet een groene gloed in de atmosfeer van Mars

Trace Gas Orbiter van de ESA ziet groene zuurstof gloed op Mars
Artist impressie van de ExoMars Trace Gas Orbiter van de ESA die de groene gloed van zuurstof waarneemt in de atmosfeer van Mars. Deze emissie, die is waargenomen aan de dagzijde van de planeet, is vergelijkbaar met de gloed die we ’s nachts vanuit de ruimte op Aarde zien.

De ExoMars Trace Gas Orbiter van de ESA heeft een groene gloed van zuurstof waargenomen in de atmosfeer van Mars. Het is voor het eerst dat deze emissie is gezien rond een planeet anders dan de Aarde.

Op Aarde wordt gloeiend zuurstof geproduceerd tijdens aurorae aan de polen. Dit gebeurt als energetische elektronen van de interplanetaire ruimte de bovenste delen van de atmosfeer raken. Deze door zuurstof aangedreven emissie van licht zorgt voor de mooie kleurenpracht van het poollicht.

Poollicht is echter maar een manier waarop de atmosfeer van een planeet kan oplichten. De atmosferen van planeten, waaronder ook de Aarde en Mars, gloeien constant tijdens zowel de dag als de nacht. Dit komt doordat zonlicht voortdurend reageert met atomen en moleculen in de atmosfeer. De dag en de nachtgloed worden door verschillende mechanismes veroorzaakt. De nachtgloed vindt plaats als verbroken moleculen weer samensmelten. De daggloed wordt veroorzaakt door dat zonlicht rechtstreeks atomen en moleculen, zoals stikstof en zuurstof, aanslaat.

Op Aarde is de groene nachtgloed best zwak en kan dus het beste gezien worden door vanuit een hoek de atmosfeer te bekijken. Dit wordt o.a. gedaan door de astronauten in het International Space Station die zich in een perfecte positie bevinden om die groene gloed te kunnen zien. De zwakke nachtgloed kan bij andere planeten lastig zijn waar te nemen omdat het heldere oppervlak die gloed laat verdwijnen.

Deze groene gloed is nu voor het eerst bij een andere planeet waargenomen. Het was de ExoMars Trace Gas Orbiter van de ESA die sinds 2016 om de rode planeet draait die de groene gloed wist vast te leggen.

Een van de helderste emissie die we op Aarde kunnen zien komt af van de nachtelijke gloed. Die is afkomstig van zuurstofatomen die op een specifieke golflengte licht uitzenden dat nog nooit eerder rond een andere planeet is gezien. Deze zelfde emissie was 40 jaar geleden al voorspeld rond Mars maar het heeft tot de Trace Gas Orbiter geduurd alvorens die ook daadwerkelijk werd aangetoond.

De groene gloed werd gevonden door een speciale waarneemmode van de TGO te gebruiken. Een van de geavanceerde instrumentenpakketten van de TGO, bekend als NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) bevat ook de UVIS (Ultraviolet and visible spectrometer) kan in verschillende configuraties waarnemen. In een van de posities wijzen de instrumenten rechtstreeks naar het oppervlak van Mars. Dit wordt ook wel het nadir kanaal genoemd.

Eerdere waarnemingen hadden geen groene gloed aangetoond bij Mars en dus besloten de onderzoekers het UVIS nadir kanaal op de “rand” van Mars te richten. Eigenlijk in dezelfde oriëntatie als de astronauten opnames maken van de Aarde vanuit het ISS.

Tussen 24 april en 1 december 2019 werd NOMAD-UVIS gebruikt om tweemaal per baan het oppervlak van mars te scannen vanaf hoogtes tussen 20 en 400 kilometer. Bij het analyseren van de gegevens zagen de onderzoekers de groene gloed overal terug. De emissie was op een hoogte van 80 kilometer het sterkste en varieerde met de afstand van Mars tot de Zon.

Het bestuderen van de gloed van planeten kan een schat aan informatie opleveren over de samenstelling en de dynamica van een atmosfeer. Er kan berekend worden hoeveel energie er door zowel de zonnewind als het zonlicht wordt toegevoegd aan de atmosfeer.

Om de groene gloed rond Mars beter te begrijpen en te kunnen vergelijken met wat we rond onze eigen planeet zien zochten de onderzoekers verder naar het ontstaan van deze gloed.

Door het modelleren van de emissie vonden ze dat de gloed voornamelijk wordt geproduceerd als CO2 wordt afgebroken in CO en O2. De geproduceerde O2-atomen gloeiden in zowel zichtbaar als ultraviolet licht.

Het vergelijken van deze twee emissies toonde aan dat de emissie in zichtbaar licht 16,5 * sterker was dan de emissie in ultraviolet licht.

De waarnemingen bij Mars komen overeen met eerdere theoretische modellen maar niet met de actuele gloed zoals die rond de Aarde wordt gezien. Rond onze planeet is de emissie veel zwakker. Dit betekent volgens de onderzoekers dat er nog meer geleerd moet worden over hoe zuurstofatomen zich gedragen. Dit is enorm belangrijk voor ons begrip over de atomaire en kwantumfysica.

Dit begrip is belangrijk voor het karakteriseren van planetaire atmosferen en gerelateerde fenomenen zoals noorderlicht. Door de structuur en het gedrag van deze gloeiende groene laag van de atmosfeer van mars te ontcijferen, kunnen wetenschappers inzicht krijgen in een hoogtebereik van nog grotendeels onontgonnen is. Ook kunnen ze monitoren het verandert als de activiteit van de Zon varieert en Mars in zijn baan om de Zon beweegt.

Het is de eerste keer dat deze belangrijke emissie bij een andere planeet dan de Aarde is waargenomen en het is voor het eerst dat er een wetenschappelijke publicatie is verschenen die is gebaseerd op waarnemingen van het UVIS-kanaal van het NOMAD-instrument aan boord van de Exomars Trace Gas Orbiter.

De waarnemingen tonen aan dat NOMAD een uitstekende optische kwaliteit heeft en erg gevoelig is. Tijdens het onderzoek is de dagzijde van mars bestudeerd en die is aanmerkelijk helderder dan de nachtzijde. De zwakke emissie is dus nog veel lastiger waar te nemen.

Het begrijpen van de eigenschappen van de atmosfeer is niet alleen wetenschappelijk interessant  maar het is ook essentieel voor ruimtevaartmissies die we naar de rode planeet sturen. De atmosferische dichtheid bijvoorbeeld heeft rechtstreeks effect op satellieten die om de planeet heen draaien en op parachutes die gebruikt worden om sondes naar het oppervlak te brengen.

Dit type waarnemingen gekoppeld aan in situ waarnemingen op grotere hoogte helpt wetenschappers met het voorspellen hoe de atmosfeer van Mars op seizoensveranderingen en variaties in de activiteit van de Zon zal reageren

Het voorspellen van veranderingen in de dichtheid van de atmosfeer is in het bijzonder van belang bij aanstaande missies zoals bijvoorbeeld de ExoMars 2022 missie die een rover en een wetenschappelijk platform naar de planeet zal brengen

 

Research Report: “Detection of green line emission in the dayside atmosphere of Mars from NOMAD-TGO observations” by J.-C. Gerard et al. (2020) is published in Nature Astronomy.

 

Eerste publicatie: 20 juni 2020
Bron: ESA