Cuando llega el verano en el hemisferio sur de Marte, se abre una "ventana" en su atmósfera a través de la cual el vapor de agua puede elevarse desde las capas inferiores de la capa de gas del planeta hasta la superior.
Los vientos llevan la mayor parte de este vapor de agua al polo norte de Marte, donde se deposita en la superficie en forma de hielo, sin embargo, una cierta cantidad de vapor de agua todavía se descompone y desaparece en el espacio exterior, privando gradualmente al planeta rojo de las reservas de agua.
Un grupo de científicos (Dmitry Shaposhnikov, Alexander Medvedev, Alexander Rodin y Paul Hartog) del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (Instituto de Física y Tecnología de Moscú, Rusia), el Instituto de Investigación Espacial de la Academia de Ciencias de Rusia (Rusia) y el Instituto de Investigación del Sistema Solar llamado así por Max Planck (Alemania) describió este ciclo marciano inusual y la liberación de parte del vapor de agua al espacio en su estudio, presentado en la revista
Geophysical Research Letters .
Según los científicos, hace muchos millones de años, Marte era rico en océanos, mares y otras fuentes de agua. Sin embargo, durante todo este largo tiempo una peculiar "bomba" natural funcionó en la atmósfera superior de Marte, con la ayuda de la cual el planeta rojo se deshidrató. Hasta la fecha, aproximadamente el 20% de la cantidad original de agua se deja en la superficie del planeta.
En su estudio, los científicos recrearon un modelo del proceso de pérdida de agua por parte de Marte y determinaron que este mecanismo aún funciona y que su funcionalidad es similar a la de una bomba. El modelado por computadora de este mecanismo muestra cómo el vapor de agua supera la barrera del aire frío en la atmósfera media de Marte y alcanza capas más altas. Esto, según los autores del trabajo científico, ayudará a comprender por qué Marte, a diferencia de la Tierra, perdió la mayor parte de su agua.
Resumen del estudioHace millones de años, Marte era un planeta con una vasta superficie de agua, ríos fluían sobre él e incluso los océanos estaban furiosos. Pero el tiempo pasó, y el mecanismo natural en el planeta redujo lentamente las reservas de agua, cambiando enormemente la superficie de Marte más allá del reconocimiento.
Hoy, en la superficie de Marte, puedes encontrar muy pocas áreas con agua congelada, y en la atmósfera el vapor de agua se encuentra solo en pequeñas cantidades. Por lo tanto, Marte puede haber perdido actualmente al menos el 80 por ciento de su suministro de agua.
La razón de una pérdida de agua tan global, pero también a largo plazo, es que en las capas superiores de la atmósfera marciana, la radiación ultravioleta solar descompone las moléculas de agua en hidrógeno (H) y radicales hidroxilo (OH). Y ya después de este proceso, se produce una volatilización irrecuperable del hidrógeno en el espacio exterior.
Las mediciones con sondas científicas en órbita de Marte y telescopios espaciales muestran que incluso en la actualidad, el vapor de agua en Marte continúa dividiéndose y abandonando el planeta de esta manera.
Pero, ¿cómo y por qué fue esto posible?De hecho, la capa media de la atmósfera marciana, por analogía con la tropopausa en la Tierra, debería bloquear prácticamente una fuga de hidrógeno, ya que a la altura de esta capa generalmente ya es tan fría que el vapor de agua se convierte en hielo.
Para obtener una respuesta a esta pregunta, los investigadores rusos y alemanes realizaron una simulación que reveló un mecanismo previamente desconocido parecido a una bomba.
Su simulación describe exhaustivamente los flujos en toda la atmósfera que envuelve a Marte: desde la superficie del planeta hasta las capas a una altitud de 160 kilómetros.
Los cálculos muestran que la capa intermedia helada de la capa de gas se vuelve permeable al vapor de agua dos veces al día, pero solo en un determinado lugar del planeta y en una determinada época del año (en un determinado punto de la órbita).
La órbita de Marte desempeña un papel decisivo en este proceso: el camino del planeta alrededor del Sol, que dura aproximadamente dos años terrestres, es mucho más elíptico que el de la Tierra.
En el punto más cercano al Sol (que coincide aproximadamente con el verano en el hemisferio sur), Marte está aproximadamente a 42 millones de kilómetros más cerca que en el punto más alejado de la órbita, por lo que el verano en el hemisferio sur es notablemente más cálido que en el norte.
Cuando llega el verano en el hemisferio sur de Marte, en ciertos momentos del día el vapor de agua puede elevarse localmente con masas de aire más cálidas y alcanzar la atmósfera superior.
Allí, las corrientes de aire transportan gas al Polo Norte, donde nuevamente se enfría y se asienta. Sin embargo, parte del vapor de agua está excluido de este ciclo: bajo la influencia de la radiación solar, las moléculas de agua se descomponen y el hidrógeno escapa al espacio.
Este ciclo hidrológico inusual se ve reforzado por otra característica de Marte: grandes tormentas de polvo que abarcan todo Marte con un intervalo de varios años.
Una cantidad gigantesca de polvo que circula en la atmósfera durante una tormenta de este tipo facilita el transporte de vapor de agua a la atmósfera superior.
La última vez que tales tormentas de polvo ocurrieron en Marte en 2007 y 2018, también fueron ampliamente documentadas por sondas orbitales.
Los científicos estiman que durante la tormenta de polvo de 2007, se emitió el doble de vapor de agua a la atmósfera superior de Marte que en los tiempos de calma del planeta.
Dado que las partículas de polvo absorben la luz solar y, por lo tanto, las calientan, la temperatura de la atmósfera en Marte aumenta.
Recibido por científicos del MIPT y el Instituto. El modelo Max Planck con una precisión sin precedentes muestra cómo el polvo en la atmósfera afecta los procesos microfísicos asociados con la conversión de hielo en vapor de agua.
Gráficos y aplicaciones para trabajos de investigación:Figura 1. Flujo de vapor vertical
Figura 1. Variaciones estacionales en la latitud de la corriente vertical promediada zonal de vapor de agua, modelada utilizando datos promediados sobre la cantidad de polvo en la atmósfera a diferentes altitudes: 0, 30, 60, 90, 120 y 150 km. Los valores positivos (flujos ascendentes) se muestran en rojo, los flujos negativos (descendentes) se muestran en azul.
Por lo tanto, nos interesarán los datos principalmente en el intervalo entre Ls = 250◦ y 270◦.
El escape de átomos de hidrógeno al espacio cerca de la exobase varía en un orden de
magnitud estacional, maximizando alrededor del solsticio de verano del sur (longitud solar Ls ≈
270 °)Las designaciones en la Figura 1 y las Figuras a continuación:
ppmv (partes por millón en volumen) es una unidad de concentración en partes por millón en volumen;
Vapor de agua - vapor de agua;
Altitud - altitud;
Latitud - latitud;
Ls es la longitud solar;
MY28 - Año marciano 28 (mediciones durante el 28º año marciano);
Escenario de polvo básico (datos promediados sobre la cantidad de polvo en la atmósfera (basado en datos de la sonda MAVEN Mars (Atmósfera de Marte y Evolución volátil), observatorio automático Hubble, satélite Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - del dispositivo) Mars Climate Sounder (MCS), instrumento PFS - MEX (espectrómetro planetario de Fourier a bordo de Mars Express), Mars Global Surveyor);
Tormenta de polvo (tormenta de polvo): se utilizaron datos sobre la cantidad de polvo en la atmósfera en la tormenta de polvo MY28.
Figura 2. Concentración y temperatura del vapor de agua.
Figura 2. Concentración y temperatura del vapor de agua en altura y latitud, modelado utilizando datos promediados sobre la cantidad de polvo en la atmósfera (gráficos en la columna de la izquierda) y en el año de la tormenta de polvo MY28 (gráficos en la columna de la derecha), todos los campos se promedian sobre zonas y durante el período entre Ls = 250◦ y 270◦, donde:
a) vapor de agua (contornos oscuros), hielo de agua (contornos blancos) y flujo meridional de vapor de agua (líneas con flechas, cuyo color y grosor indican la dirección vertical y ppmv, respectivamente);
(b) lo mismo que en (a), pero para una tormenta de polvo durante MY28;
(c) un gráfico con la temperatura del flujo de agua para el escenario de polvo "principal";
(d) lo mismo que en (c), pero para el escenario de tormenta de polvo durante MY28, a excepción de las líneas de contorno que muestran la diferencia de temperatura entre (d) y (c).
Se ve que durante las tormentas, la concentración de vapor de agua en las capas superiores es mayor, y su temperatura es mayor.
Figura 3. La concentración de vapor de agua a diferentes alturas y en diferentes momentos del día marciano.Sol es un día marciano. Son un poco más largos que los terrenales y hacen 24 horas, 39 minutos, 35,244 segundos. El año en Marte es igual a 669.56 "Solam" o 686.94 días terrestres.
Figura 3. Distribución en tiempo-altitud de las desviaciones del valor promedio para la concentración de vapor de agua (tonos de color ppmv) y velocidad vertical (en los contornos, valores en m / s), de acuerdo con los datos para el período entre Ls = 250 ° y 270 ° (coordenadas de medición - Lat 75S. Lon 0).
Los valores positivos de la velocidad vertical corresponden a movimientos ascendentes.
(a) escenario de polvo "principal":
(b) lo mismo que en (a), pero para una tormenta de polvo durante MY28:
Como puede ver, en el segundo gráfico en las capas superiores hay más ventanas con una alta concentración de vapor de agua con una velocidad vertical positiva, que forman flujos ascendentes más hacia el espacio exterior.
Figura 4. Ciclo anual del agua.
Figura 4. La distribución vertical del contenido total de agua (vapor + hielo) obtenido:
(a) y (c) - día y noche según el dispositivo Mars Climate Sounder (MCS) instalado en el dispositivo Mars Reconnaissance Orbiter (MRO);
(b) y (d) - día y noche según los datos de la simulación en el estudio.
En los gráficos de la Figura 4 anterior:
- por la tarde - esto es de acuerdo con los datos a las 15:00 en hora marciana;
- por la noche - esto es de acuerdo con los datos a las 03:00 a.m., hora de Marte.
En todos los gráficos de la Figura 4, se promediaron los valores en longitud y latitud.
Al procesar los datos durante la simulación, el promedio sobre las horas locales se realizó en los períodos 14: 00-16: 00 y 02: 00-04: 00.
En conclusión de su trabajo de investigación, los autores concluyen que la atmósfera de Marte es más permeable al vapor de agua que la terrestre, y el ciclo abierto del agua estacional contribuye significativamente al funcionamiento continuo del mecanismo natural de la pérdida de vapor de agua por parte de Marte.