Η απώλεια της ατμόσφαιρας του Άρη κατά τη διάρκεια της ζωής του
Η σημερινή ατμόσφαιρα του Άρη είναι αδύναμη, με επιφανειακή πίεση μόνο περίπου 3% της Γης, και αποτελείται κυρίως από διοξείδιο του άνθρακα. Δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου υγρό νερό στον Άρη, αν και τα πολικά καλύμματα περιέχουν παγωμένο νερό και διοξείδιο του άνθρακα (ξηρός πάγος).
Ωστόσο, υπάρχουν στοιχεία από τους βράχους που μελετήθηκαν από τα ρόβερ της NASA, συμπεριλαμβανομένου του Mars Curiosity Rover , καθώς και εικόνες από ξηρές κοίτες ποταμών που έγιναν από παρατηρητήρια που βρίσκονται σε τροχιά, όπως το Mars Reconnaissance Orbiter της NASA , ότι η ατμόσφαιρα του Άρη πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια ήταν πιο πυκνή και θερμότερη λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου και υποστήριξε την παρουσία υγρού νερού στην επιφάνεια. Προκύπτουν τα ακόλουθα ερωτήματα:"Γιατί ο Άρης έχασε το νερό και την πυκνή του ατμόσφαιρα;" Και "Πού πήγαν όλα τα πτητικά (δηλαδή το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα);"
Η τρέχουσα σκέψη είναι ότι η ατμόσφαιρα και οι επιφανειακές πτητικές ουσίες μπορούν είτε να χαθούν προς τα πάνω είτε προς τα κάτω ή και τα δύο. Τα πτητικά μπορούν να καταναλωθούν από τον φλοιό του Άρη και να αποθηκευτούν ως ορυκτά και το Curiosity Η rover και η επιστημονική της ομάδα μελετούν αυτό το είδος απώλειας. Και τα ατμοσφαιρικά είδη μπορούν επίσης να διαφύγουν στο διάστημα από την κορυφή της ατμόσφαιρας, και η αποστολή MAVEN της NASA το μελετά αυτό. Ο κύριος ερευνητής της αποστολής, Bruce Jakosky, ηγείται μιας ομάδας περίπου 100 επιστημόνων από όλο τον κόσμο. Το MAVEN είναι το ακρωνύμιο της NASA για το «Mars Atmosphere and Volatile Evolution».
Διαστημόπλοιο MAVEN της NASA:Μελετώντας την Ιονόσφαιρα του Άρη
Το διαστημόπλοιο MAVEN εκτοξεύτηκε από το Ακρωτήριο Κανάβεραλ της Φλόριντα τον Νοέμβριο του 2013 με ενισχυτή Delta και τέθηκε σε τροχιά γύρω από τον Άρη ένα χρόνο αργότερα. Το διαστημόπλοιο έχει 8 όργανα σχεδιασμένα να χαρακτηρίζουν την ανώτερη ατμόσφαιρα του πλανήτη και τις διεργασίες που ελέγχουν την ατμόσφαιρα, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο τα άτομα και τα μόρια μπορούν να ξεφύγουν από τη βαρυτική έλξη του πλανήτη και να διαφύγουν στο διάστημα. Τα όργανα μετρούν τις ατμοσφαιρικές πυκνότητες και τις θερμοκρασίες τόσο για το ηλεκτρικά ουδέτερο (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα, CO2 , ατομικό οξυγόνο, Ο, ατομικό υδρογόνο, Η και άλλα είδη) και τα ηλεκτρικά φορτισμένα συστατικά (δηλαδή, ιόντα όπως το CO2 και O2 και ηλεκτρόνια). Άλλα όργανα ανιχνεύουν ενεργητικά φορτισμένα σωματίδια, μαγνητικά πεδία και υπεριώδη ακτινοβολία. Η ομάδα MAVEN περιλαμβάνει επίσης επιστήμονες που κατασκευάζουν μοντέλα υπολογιστών της ατμόσφαιρας του Άρη και του διαστημικού περιβάλλοντος προκειμένου να ερμηνεύσουν τα δεδομένα του διαστημικού σκάφους.
Για να διαφύγει ένα άτομο ή ένα μόριο από έναν πλανήτη, απαιτούνται δύο πράγματα:(1) η ταχύτητά του πρέπει να υπερβαίνει την ταχύτητα διαφυγής , που είναι 5 km/s για τον Άρη και 10 km/s για τη Γη, και (2) πρέπει να είναι αρκετά ψηλά στην ατμόσφαιρα έτσι ώστε να μην συγκρούεται με άλλο άτομο κατά την έξοδό του (αυτό το τμήμα της ατμόσφαιρας ονομάζεται μια εξώσφαιρα ). Το ιονισμένο τμήμα της ανώτερης ατμόσφαιρας, που ονομάζεται ιονόσφαιρα, μπορεί να παρέχει στα άτομα αρκετά υψηλές ταχύτητες για να διαφύγουν. Η αποστολή MAVEN μελετά την ιονόσφαιρα του Άρη.
Οι ιονόσφαιρες σχηματίζονται όταν εξωτερική ακτινοβολία, ή ενεργητικά σωματίδια, ιονίζουν ένα ουδέτερο μόριο, καταρρίπτοντας ένα τροχιακό ηλεκτρόνιο (το οποίο στη συνέχεια ονομάζεται φωτοηλεκτρόνιο ή δευτερεύον ηλεκτρόνιο) και δημιουργώντας ένα θετικό ιόν. Η πιο σημαντική πηγή ιονισμού είναι ο φωτοϊοντισμός από την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία παράγεται στα εξωτερικά στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας (δηλαδή στο ηλιακό στέμμα). Αυτή η ακτινοβολία, όπως όλες οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες, συσκευάζονται σε φωτόνια, τα οποία περιέχουν το καθένα ενέργεια ανάλογη με τη συχνότητα της ακτινοβολίας. Εάν ένα φωτόνιο έχει ενέργεια που υπερβαίνει την ενέργεια δέσμευσης ενός ατομικού τροχιακού ηλεκτρονίου, τότε πραγματοποιείται ιονισμός.
Ο ιονισμός του ουδέτερου CO2 και το O παράγει CO2 και ιόντα Ο. Χημικές αντιδράσεις (π.χ. CO2 αντιδρά με το Ο για να δώσει το O2 ιόντα, δηλαδή ιονισμένο μοριακό οξυγόνο) τροποποιούν τη σύνθεση της ιονόσφαιρας. Και για να εξισορροπηθεί το ηλεκτρικό φορτίο, τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια τελικά ανασυνδυάζονται. Για τον Άρη, η βασική αντίδραση ανασυνδυασμού είναι του O2 ιόντα με ηλεκτρόνια (που ονομάζεται διασχιστικός ανασυνδυασμός), ο οποίος παράγει δύο γρήγορα ουδέτερα άτομα Ο. Περίπου τα μισά από αυτά τα άτομα έχουν ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα διαφυγής και έτσι έχουν τη δυνατότητα να εγκαταλείψουν τον Άρη. Αυτή η «φωτοχημική» διαδικασία διαφυγής έχει αναγνωριστεί ως πολύ σημαντική για τον Άρη (αλλά όχι, είναι ενδιαφέρον, για την Αφροδίτη, η οποία έχει υψηλότερη ταχύτητα διαφυγής).
Οι επιστήμονες της MAVEN ποσοτικοποιούν την απώλεια οξυγόνου (που οδηγεί τελικά στην απώλεια CO2 ή H2 O από την κατώτερη ατμόσφαιρα) μελετώντας τις σχετικές ιονόσφαιρες διεργασίες που συζητήθηκαν παραπάνω με δύο τρόπους. Ο πρώτος τρόπος είναι με τη μέτρηση των πυκνοτήτων των ηλεκτρονίων και του O2 ιόντα, καθώς και ουδέτερες πυκνότητες, και στη συνέχεια υπολογισμός του ρυθμού φωτοχημικής απώλειας οξυγόνου. Η δεύτερη προσέγγιση, που συζητήθηκε σε μια πρόσφατη εργασία στο Journal of Geophysical Research (doi: 10.1002/2016JA023461), είναι η τήρηση βιβλίων σχετικά με τα ηλιακά φωτόνια UV που εισέρχονται στην κορυφή της ατμόσφαιρας και τα οποία είναι αρκετά ενεργητικά για να δημιουργήσουν ιόντα.
Αυτή η μελέτη έδειξε ότι 2 κιλά ατομικού οξυγόνου χάνονται στον πλανήτη κάθε δευτερόλεπτο. Αυτό δεν φαίνεται πολύ μεγάλο ποσοστό απώλειας, αλλά έχει λάβει χώρα ακατάπαυστα για περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια χρόνια και το ισοδύναμο νερό ή CO2 που χάνεται κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου είναι πάνω από αρκετά μέτρα υγρού νερού που απλώνεται σε ολόκληρη την επιφάνεια του Άρη. Αυτή η εκτίμηση λαμβάνει υπόψη το γεγονός ότι η υπεριώδης ακτινοβολία του Ήλιου ήταν σημαντικά μεγαλύτερη στο μακρινό παρελθόν, όπως επιβεβαιώθηκε από αστρονομικές μετρήσεις νεότερων αστεριών που μοιάζουν με τον Ήλιο στον κοντινό γαλαξία.
Αυτή η μελέτη, Διαφυγή θερμού οξυγόνου από τον Άρη:Απλή κλιμάκωση με ηλιακή ακτινοβολία EUV δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Geophysical Research:Space Physics .
