Wereldwijde stofstormen op Mars injecteren water hoog in atmosfeer

Planetaire aeronomie
Een van de meest opvallende fenomenen op Mars is een planeetomcirkelende storm of "wereldwijde stofstorm". Als die eenmaal begint, bedekt het stof dat in de atmosfeer hangt gedurende enkele weken de hele planeet. Midden 2018 deed zich zo'n storm voor en metingen van het Nadir and Occultation for Mars Discovery (NOMAD) instrument op de ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) toonden verhoogde waterdamp aan in de hoge atmosfeer, die verband hield met de storm. We gebruiken een 3D numeriek model van de Marsatmosfeer om de mechanismen te helpen onderzoeken die zich tijdens deze gebeurtenis voordoen.

Verband tussen stofstormen, waterdamp en de evolutie van de atmosfeer van Mars

Oppervlakte-eigenschappen op Mars wijzen erop dat er in het verleden vloeibaar water aanwezig was. Recente studies suggereren dat globale stofstormen effectief waterdamp transporteren van het oppervlak naar de middelste atmosfeer van Mars. Dit gedrag is van belang voor de evolutie van de planeet, aangezien watermoleculen op grotere hoogte gemakkelijker door zonlicht worden gesplitst en in de ruimte verloren gaan. De studie van dit proces kan ons meer vertellen over hoe de atmosfeer van Mars in de loop van miljarden jaren kan zijn veranderd.

TGO/NOMAD observeert water op grote hoogte

In juni tot september 2018 en januari 2019 deden zich op Mars respectievelijk een sterke wereldwijde stofstorm en een regionale storm voor. We analyseerden de metingen die in deze periodes werden gedaan door het NOMAD-instrument aan boord van TGO dat zich in een baan rond Mars bevindt. Het doel was om hoogteprofielen van waterdamp in de martiaanse atmosfeer te onderzoeken, gemeten tijdens de stofstormen.

Een significante toename van de hoeveelheid waterdamp in de middelste atmosfeer (40-100 km) werd vastgesteld tijdens de wereldwijde stofstorm - waterdamp bereikte zeer grote hoogten, tot 100 km. Een merkbare toename werd ook waargenomen tijdens de regionale stofstorm. De TGO-NOMAD-waarnemingen hebben een ongekende kijk gegeven op dit belangrijke aspect van de Marsatmosfeer.

Gebruik van numerieke modellen om de waarnemingen te verklaren

Met behulp van een driedimensionaal numeriek model van de Marsatmosfeer (GEM-Mars) ontdekten we dat wanneer stof van de storm wordt getransporteerd tot niveaus boven ~40 km, het de atmosfeer opwarmt door absorptie van zonlicht. Dit verhindert op zijn beurt de vorming van ijswolken op 40-60 km hoogte en zorgt ervoor dat meer waterdamp kan opstijgen naar grotere hoogten in de atmosfeer.

Wij hebben verschillende simulaties uitgevoerd, waarbij wij de verticale verdeling van het stof in het model hebben gevarieerd en hebben ontdekt dat de vorming van ijswolken hier zeer gevoelig voor is. Numerieke modelexperimenten zoals deze zijn van cruciaal belang voor de interpretatie en het begrip van de waarnemingen van NOMAD.

 

Referentie

  • Aoki, S., Vandaele, A.C., Daerden, F., Villanueva, G.L., Liuzzi, G., Thomas, I.R., Erwin, J.T., Trompet, L., Robert, S., Neary, L., Viscardy, S., Clancy, R.T., Smith, M.D., Lopez‐Valverde, M.A., Hill, B., Ristic, B., Patel, M.R., Bellucci, G., Lopez‐Moreno, J.-J., and the NOMAD team. (2019). Water Vapor Vertical Profiles on Mars in Dust Storms Observed by TGO/NOMAD. Journal of Geophysical Research: Planets, 124(12), 3482-3497. https://doi.org/10.1029/2019JE006109

  • Neary, L., Daerden, F., Aoki, S., Whiteway, J., Clancy, R.T., Smith, M., Viscardy, S., Erwin, J.T., Thomas, I.R., Villanueva, G., Liuzzi, G., Crismani, M., Wolff, M., Lewis, S.R., Holmes, J.A., Patel, M.R., Giuranna, M., Depiesse, C., Piccialli, A., Robert, S., Trompet, L., Willame, Y., Ristic, B., and Vandaele, A.C. (2020). Explanation for the Increase in High‐Altitude Water on Mars Observed by NOMAD During the 2018 Global Dust Storm. Geophysical Research Letters, 47(7), e2019GL084354. https://doi.org/10.1029/2019GL084354 .

Wereldwijde stofstorm Mars
Beeld van Mars voor het begin van de wereldwijde stofstorm die de planeet omcirkelt (links) en tijdens de storm (rechts). (Credits: NASA/JPL-Caltech/MSSS)
Verticale waterdampprofielen NOMAD data
Latitudinale variatie van de verticale waterdampprofielen gemeten door NOMAD in het seizoensbereik tussen zonne-lengtegraad Ls = 160-195° (Fig. (a), vóór de wereldwijde stofstorm), Ls = 195-202° (Fig. (b), tijdens de groeifase van de storm), Ls = 210-220° (Fig. (c), tijdens de piekfase van de storm), Ls = 220-240° (Fig. (d), tijdens de afnamefase van de storm), en Ls = 240-260° (Fig. (e), verder afnamefase van de storm). De eenheid van waterdamphoeveelheid is in deeltjes per miljoen (per volume).
Mars modelresultaten stof waterdamp waterstof
Modelresultaten tonen de invloed van stof op waterdamp en waterstof. Bovenstaande figuren tonen de verhouding van twee simulaties: wereldwijde stofstorm/geen stofstorm, voor waterdamp (links) en waterstof (rechts). In de simulaties veroorzaakt de stofstorm een toename van de waterdamp met meer dan een factor 150, gevolgd door een toename van waterstof met een factor 40.