Dankzij tientallen jaren van verkenning met behulp van robotomloopmissies, landers en rovers, weten wetenschappers zeker dat miljarden jaren geleden vloeibaar water op het oppervlak van Mars stroomde. Daarnaast zijn er veel vragen gebleven, waaronder of de waterstroom al dan niet onderbroken of regelmatig was. Met andere woorden, was Mars miljarden jaren geleden werkelijk een "warme en natte" omgeving, of was het meer in de trant van "koud en ijzig"?
Deze vragen bleven bestaan vanwege de aard van het oppervlak en de atmosfeer van Mars, die bevestigende antwoorden bieden. Volgens een nieuwe studie van Brown University lijkt het erop dat beide het geval zouden kunnen zijn. Kortom, vroege Mars zou aanzienlijke hoeveelheden oppervlakte-ijs kunnen hebben gehad die periodiek smolten, waardoor voldoende vloeibaar water werd geproduceerd om de oude valleien en meren te bewerken die tegenwoordig op de planeet te zien zijn.
De studie, getiteld "Late Noachian Icy Highlands Climate Model: Exploring the Possibility of Transient Melting and Fluvial / Lacustrine Activity Through Peak Annual and Seasonal Temperatures", verscheen onlangs in Icarus. Ashley Palumbo - een Ph.D. studente bij Brown's Department of Earth, Environmental and Planetary Science - leidde de studie en werd vergezeld door haar begeleidende professor (Jim Head) en professor Robin Wordsworth van de Harvard University School of Engineering and Applied Sciences.
Omwille van hun studie probeerden Palumbo en haar collega's de brug te vinden tussen de geologie van Mars (wat suggereert dat de planeet ooit warm en nat was) en de atmosferische modellen, die suggereren dat het koud en ijzig was. Zoals ze aantoonden, is het aannemelijk dat Mars in het verleden over het algemeen bevroren was met gletsjers. Tijdens piekdagtemperaturen in de zomer zouden deze gletsjers aan de randen smelten om stromend water te produceren.
Na vele jaren, concludeerden ze, zouden deze kleine afzettingen van smeltwater voldoende zijn geweest om de kenmerken die tegenwoordig op het oppervlak worden waargenomen te snijden. Met name hadden ze de soorten vallei-netwerken kunnen uithakken die zijn waargenomen op de zuidelijke hooglanden van Mars. Zoals Palumbo uitlegde in een persbericht van de Brown University, was hun studie geïnspireerd door vergelijkbare klimaatdynamiek die hier op aarde plaatsvindt:
“We zien dit in de Antarctische droge valleien, waar seizoensgebonden temperatuurschommelingen voldoende zijn om meren te vormen en in stand te houden, hoewel de gemiddelde jaartemperatuur ver onder het vriespunt ligt. We wilden zien of iets soortgelijks mogelijk is voor het oude Mars. '
Om de link tussen de atmosferische modellen en het geologische bewijs te bepalen, begonnen Palumbo en haar team met een state-of-the-art klimaatmodel voor Mars. Dit model ging ervan uit dat de atmosfeer 4 miljard jaar geleden voornamelijk bestond uit kooldioxide (zoals het nu is) en dat de output van de zon veel zwakker was dan nu. Op basis van dit model hebben ze vastgesteld dat Mars in het begin koud en ijskoud was.
Ze bevatten echter ook een aantal variabelen die mogelijk 4 miljard jaar geleden ook op Mars aanwezig waren. Deze omvatten de aanwezigheid van een dikkere atmosfeer, wat een groter broeikaseffect zou hebben mogelijk gemaakt. Omdat wetenschappers het er niet over eens kunnen zijn hoe dicht de atmosfeer van Mars tussen 4,2 en 3,7 miljard jaar geleden was, hebben Palumbo en haar team de modellen uitgevoerd om rekening te houden met verschillende plausibele niveaus van atmosferische dichtheid.
Ze overwogen ook variaties in de baan van Mars die 4 miljard jaar geleden had kunnen bestaan, en die ook enig giswerk heeft ondergaan. Ook hier hebben ze een breed scala aan plausibele scenario's getest, waaronder verschillen in axiale kanteling en verschillende graden van excentriciteit. Dit zou van invloed zijn geweest op de hoeveelheid zonlicht die door het ene halfrond boven het andere wordt opgevangen en zou leiden tot grotere seizoensgebonden variaties in temperatuur.
Uiteindelijk leverde het model scenario's op waarin met ijs bedekte gebieden nabij de locatie van de valleienetwerken in de zuidelijke hooglanden. Hoewel de gemiddelde jaartemperatuur van de planeet in deze scenario's ver onder het vriespunt lag, veroorzaakte het ook piektemperaturen in de zomer in de regio die boven het vriespunt uitkwamen. Het enige dat overbleef, was aantonen dat het geproduceerde watervolume voldoende zou zijn om die valleien te kerven.
Gelukkig, in 2015, creëerden professor Jim Head en Eliot Rosenberg (destijds een student bij Brown) een studie die de minimale hoeveelheid water schatte die nodig was om de grootste van deze valleien te produceren. Met behulp van deze schattingen, samen met andere studies die schattingen leverden van de noodzakelijke afvoersnelheden en de duur van de vorming van valleienetwerken, vonden Palumbo en haar collega's een model afgeleid scenario dat werkte.
Kortom, ze ontdekten dat als Mars een excentriciteit van 0,17 had (vergeleken met de huidige excentriciteit van 0,0934), een axiale kanteling van 25 ° (vergeleken met 25,19 ° vandaag) en een atmosferische druk van 600 mbar (100 keer wat het nu is) dan zou het ongeveer 33.000 tot 1.083.000 jaar hebben geduurd om voldoende smeltwater te produceren om de valleienetwerken te vormen. Maar uitgaande van een cirkelvormige baan, een axiale tegel van 25 ° en een atmosfeer van 1000 mbar, zou het ongeveer 21.000 tot 550.000 jaar hebben geduurd.
De in deze scenario's vereiste graden van excentriciteit en axiale kanteling liggen ruim binnen het bereik van mogelijke banen voor Mars 4 miljard jaar geleden. En zoals Head aangaf, zou deze studie het atmosferische en geologische bewijs dat in het verleden op gespannen voet stond, kunnen verzoenen:
“Dit werk voegt een plausibele hypothese toe om de manier te verklaren waarop vloeibaar water op vroege Mars had kunnen ontstaan, op een manier die vergelijkbaar is met het seizoensgebonden smelten dat de stromen en meren produceert die we waarnemen tijdens ons veldwerk in de Antarctische McMurdo Dry Valleys. We onderzoeken momenteel aanvullende mechanismen voor het opwarmen van kandidaten, waaronder vulkanisme en inslagkraters, die ook kunnen bijdragen tot het smelten van een koude en ijzige vroege Mars. ”
Het is ook belangrijk omdat het aantoont dat het Mars-klimaat onderhevig was aan variaties die ook regelmatig hier op aarde voorkomen. Dit geeft nog een andere indicatie van hoe onze twee vliegtuigen in sommige opzichten op elkaar lijken, en hoe onderzoek van het ene kan helpen ons begrip van het andere te vergroten. Last but not least biedt het enige synthese aan een onderwerp dat een behoorlijk deel van de onenigheid heeft voortgebracht.
Het onderwerp over hoe Mars warm, stromend water op het oppervlak had kunnen ervaren - en in een tijd dat de output van de zon veel zwakker was dan nu - is veel onderwerp van discussie gebleven. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende suggesties gedaan over hoe de planeet zou kunnen worden verwarmd, variërend van cirruswolken tot periodieke uitbarstingen van methaangas van onder het oppervlak.
Hoewel deze laatste studie het debat tussen de "warme en waterige" en de "koude en ijzige" kampen nog niet helemaal heeft opgelost, biedt het overtuigend bewijs dat de twee elkaar mogelijk niet uitsluiten. De studie was ook het onderwerp van een presentatie tijdens de 48e conferentie over maan- en planeetwetenschappen, die plaatsvond van 20 tot 24 maart in The Woodland, Texas.
