Η αρχική εξέλιξη του βόρειου πολικού καπακιού του Άρη αποκαλύφθηκε από το τροχιακό ραντάρ

Οι πόλοι του Άρη φιλοξενούν τεράστιες ποσότητες πάγου νερού με τη μορφή πολικών καλυμμάτων, όπως η Ανταρκτική της Γης. Στο βορρά, ένας θόλος πάχους ~ 1,5 km από σχεδόν καθαρό υδάτινο πάγο αποτελεί τις λεγόμενες βόρειες πολικές στιβάδες αποθέσεις (NPLD), τη δεύτερη μεγαλύτερη δεξαμενή πάγου νερού στον πλανήτη. Αυτά τα παγωμένα κοιτάσματα οφείλουν το όνομά τους στο λεπτό στρώμα τους που είναι εκτεθειμένο κατά μήκος των κηλίδων και των σπειροειδών κοιλοτήτων.

Από την ανακάλυψή τους, οι επιστήμονες θεώρησαν το πολύτιμο στρωματογραφικό αρχείο του NPLD ως λίθο της Ροζέτας για την αποκρυπτογράφηση των πρόσφατων κλιματικών αλλαγών σε παγκόσμιο επίπεδο, ωστόσο λίγα είναι γνωστά για την αρχική ανάπτυξη του πολικού καλύμματος. Προηγούμενες μελέτες βρήκαν συνδέσμους μεταξύ των ανώτερων στρωμάτων NPLD και διακυμάνσεων στις τροχιακές κινήσεις του Άρη, ένα φαινόμενο που ονομάζεται «τροχιακός εξαναγκασμός» το οποίο είναι ιδιαίτερα έντονο λόγω των μεγάλων ταλαντώσεων της λοξότητας του άξονα περιστροφής. Ωστόσο, τα χαμηλότερα στρώματα του NPLD εκτίθενται μόνο σε λίγα σημεία, καθιστώντας τα μοντέλα της αρχικής ανάπτυξης πάγου δύσκολο να περιοριστούν. Ευτυχώς, ο ήχος του ραντάρ μπορεί να απεικονίσει ολόκληρο το πάχος του βόρειου πολικού καλύμματος, αποκαλύπτοντας ολόκληρη την εσωτερική στρωματογραφία του.

Αυτή τη στιγμή υπάρχουν δύο ηχητικά ραντάρ σε τροχιά γύρω από τον Άρη. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί δεδομένα από το Shallow Radar (SHARAD), το οποίο έχει εξαιρετική κάλυψη του NPLD με πάνω από 3000 δισδιάστατα προφίλ, από τα οποία περίπου 700 αναλύθηκαν για την ανασύσταση των πρώτων σταδίων συσσώρευσης πάγου νερού του NPLD. Τα ηχητικά ραντάρ όπως το SHARAD στέλνουν σήματα ραδιοφώνου προς την επιφάνεια, τα οποία στη συνέχεια αντανακλώνται ως ηχώ (συνήθως αναφέρονται ως ανακλαστήρες) όταν συμβαίνουν σημαντικές αλλαγές στη σύνθεση, όπως εναλλασσόμενα στρώματα πάγου και σκόνης. Τα δεδομένα ραντάρ αντιπροσωπεύονται ως δισδιάστατα προφίλ, όπου ο κατακόρυφος άξονας αντιπροσωπεύει τη χρονική καθυστέρηση μεταξύ των αντανακλάσεων επιφάνειας και υπόγειας που ανιχνεύεται από το όργανο και ο οριζόντιος άξονας αντιπροσωπεύει την απόσταση κατά μήκος της τροχιάς του εδάφους που διανύει το διαστημόπλοιο. Με άλλα λόγια, τα προφίλ SHARAD είναι φέτες από το υπέδαφος του Άρη που δείχνουν την εσωτερική στρώση και τις δομές του.

Τα προφίλ SHARAD επιτρέπουν την οριοθέτηση της στρωματογραφίας της χαμηλότερης ακολουθίας πάχους ~ 500 μέτρων του NPLD σε 3 διαστάσεις στην κλίμακα μεμονωμένων ανακλαστήρων ραντάρ. Με τη σειρά του, αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να προσδιορίσουν τις καθαρές φάσεις συσσώρευσης πάγου και υποχώρησης μέσω γεωμετριών στρωμάτων και να συγκρίνουν ποιοτικά αυτές με διαθέσιμα μοντέλα συσσώρευσης πάγου που βασίζονται στην τροχιακή πίεση.

Από τις οκτώ χαρτογραφημένες μονάδες πάγου, οι πέντε εμφανίζουν μόνο μικρό πάχος, σε συμφωνία με προηγούμενες μελέτες που αποκάλυψαν μια γενική ομοιομορφία πάχους των στρωμάτων NPLD. Αντίθετα, τρεις μονάδες παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις πάχους και μειωμένη πλευρική έκταση σε σύγκριση με τις άλλες μονάδες. Συγκεκριμένα, οι παλαιότερες μονάδες NPLD αποτελούνται από δύο αποσυνδεδεμένες αποθέσεις αντίστοιχα που βρίσκονται πάνω από μια παλαιότερη αποθήκη σε σχήμα θόλου που ονομάζεται «βασική μονάδα» και τις πεδιάδες που περιβάλλουν επίσης το NPLD. Η μία μονάδα αποτελείται από ένα σχεδόν κυκλικό σχήμα θόλου με μέσο πάχος ~40m. Η άλλη μονάδα βρίσκεται στην περιοχή Gemina Lingula, έχει επίσης πάχος ~40 m και έχει σχήμα θόλου επιμηκυμένο στην κατεύθυνση Α-Δ. Ανοδικά στη στρωματογραφία, το SHARAD ανιχνεύει μια άλλη μονάδα που καταλήγει σε σχήμα σφήνας και δεν εκτείνεται προς τα νότια όσο οι μονάδες κάτω και πάνω από αυτήν. Τέλος, προς την κορυφή της ακολουθίας, οι μονάδες εμφανίζουν ένα κυματοειδές μοτίβο χονδρικά εγκάρσιο προς το μήκος του Gemina Lingula.

Αυτή η μελέτη δείχνει ότι η τοπογραφία του πιο πρώιμου NPLD εξελίχθηκε με σταδιακή στοίβαξη μονάδων πάγου, με εναλλασσόμενη ανάπτυξη και συρρίκνωση της περιοχής συσσώρευσης πάγου. Το πάχος των μονάδων δείχνει επίσης ότι τα κύρια κέντρα συσσώρευσης πάγου μετακινήθηκαν με το χρόνο, αντί να παραμένουν σταθερά στον πόλο. Η τοπογραφία από μόνη της μπορεί να έχει οδηγήσει στο σχηματισμό μορφολογικών ανωμαλιών στο κατώτερο NPLD με διάφορους μηχανισμούς. Τα στρωματογραφικά στοιχεία δείχνουν ότι οι καταβατικοί άνεμοι είναι οι κύριοι υπεύθυνοι. Οι καταβατικοί άνεμοι είναι ψυχρές, πυκνές μάζες αέρα που ρέουν από μεγάλα υψόμετρα κάτω από μια πλαγιά υπό την έλξη της βαρύτητας. Η δομή του θόλου και οι κλίσεις της βασικής μονάδας κάτω από το NPLD ήταν πιθανώς επαρκή για την έναρξη της καταβατικής ροής ανέμου πριν από τη συσσώρευση πάγου. Σε αυτό το σενάριο, η συσσώρευση πάγου ευνοείται στην κορυφή του θόλου, όπου οι άνεμοι είναι αργοί, και στις χαμηλές περιοχές δίπλα στην πλαγιά σπάνε, όπου οι άνεμοι επιβραδύνονται μετά την επιτάχυνση και την αφαίρεση του πάγου κατά μήκος της πλαγιάς.

Η μελέτη υποστηρίζει μια αυτοσυντηρούμενη κατασκευαστική διαδικασία στην οποία η ανακατανομή του πάγου με καταβατικούς ανέμους διατήρησε – και τελικά αύξησε – το αρχικό τοπογραφικό ανάγλυφο της βασικής μονάδας, το οποίο με τη σειρά του υποστήριξε περαιτέρω καταβατική ροή. Οι καταβατικοί άνεμοι προκαλούν σχηματισμό κυματισμών στη σύγχρονη επιφάνεια του NPLD. Αυτός ο μηχανισμός μπορεί επίσης να εξηγήσει κομψά τους κυματισμούς που παρατηρούνται σε ορισμένες μονάδες πάγου στο Gemina Lingula, υποστηρίζοντας περαιτέρω τον ρόλο των καταβατικών ανέμων στη διαμόρφωση του χαμηλότερου NPLD.

Το σχήμα και η θέση της Gemina Lingula έχουν συχνά προσελκύσει το ενδιαφέρον μεταξύ των πολικών ερευνητών επειδή αποτελεί μια ανωμαλία στην εναπόθεση πάγου επεκτείνοντας προς τα νότια και καθιστώντας το πολικό κάλυμμα ασύμμετρο ως προς τον πόλο. Η χαρτογράφηση του ανακλαστήρα SHARAD αποκάλυψε οριστικά ότι η κατασκευή του proto-Gemina Lingula ξεκίνησε ως μεμονωμένη κατάθεση ήδη διαχωρισμένη από το υπόλοιπο πολικό καπάκι.

Συνολικά, η χαμηλότερη εξέλιξη του NPLD που αποκαλύφθηκε από το SHARAD μπορεί να περιγραφεί ως εναλλασσόμενες φάσεις υποχώρησης και επέκτασης της συσσώρευσης πάγου νερού, οι οποίες πιθανώς σχετίζονται με επαναλαμβανόμενη παγκόσμια κλιματική αλλαγή. Λαμβάνοντας υπόψη τα ευρήματα προηγούμενων προσπαθειών για τη μοντελοποίηση της ανάπτυξης NPLD με βάση την τροχιακή επιβολή, αυτή η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι οι περίοδοι υψηλής λοξότητας του άξονα περιστροφής προκάλεσαν υποχώρηση της περιοχής συσσώρευσης πάγου και, αντιστρόφως, η χαμηλή λοξότητα ευνόησε την ευρεία ανάπτυξη φύλλων πάγου. Τα παλαιότερα στρώματα NPLD φαίνεται να έχουν συλλάβει τέτοιες διακυμάνσεις στις τροχιακές κινήσεις του Άρη.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Πρώιμη ιστορία συσσώρευσης των καταθέσεων με στρώματα βόρειου πόλου, Mars from SHARAD, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Stefano Nerozzi και John W. Holt από Το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν.