Ketika musim panas tiba di belahan bumi selatan Mars, sebuah "jendela" terbuka di atmosfernya di mana uap air dapat naik dari lapisan bawah cangkang gas planet ke atas.
Angin membawa sebagian besar uap air ini ke kutub utara Mars, di mana ia mengendap di permukaan dalam bentuk es, namun, sejumlah uap air masih meluruh dan menghilang ke luar angkasa, secara bertahap merampas cadangan air planet merah.
Sekelompok ilmuwan (Dmitry Shaposhnikov, Alexander Medvedev, Alexander Rodin dan Paul Hartog) dari Institut Fisika dan Teknologi Moskow (Institut Fisika dan Teknologi Moskow, Rusia), Institut Penelitian Ruang Angkasa dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia (Rusia) dan Institut Penelitian Tata Surya dinamai demikian Max Planck (Jerman) menggambarkan siklus Mars yang tidak biasa ini dan pelepasan sebagian uap air ke ruang angkasa dalam studinya, disajikan dalam jurnal
Geophysical Research Letters .
Menurut para ilmuwan, jutaan tahun yang lalu, Mars kaya akan lautan, laut, dan sumber air lainnya. Namun, selama sekian lama ini, sebuah "pompa" alami yang aneh bekerja di atmosfer atas Mars, dengan bantuan yang membuat planet merah itu mengalami dehidrasi. Hingga saat ini, sekitar 20% dari jumlah air asli tersisa di permukaan planet ini.
Dalam studi mereka, para ilmuwan menciptakan kembali model proses kehilangan air oleh Mars dan menentukan bahwa mekanisme ini masih terus bekerja, dan fungsinya mirip dengan pompa. Pemodelan komputer dari mekanisme ini menunjukkan bagaimana uap air mengatasi penghalang udara dingin di atmosfer tengah Mars dan mencapai lapisan yang lebih tinggi. Ini, menurut penulis karya ilmiah, akan membantu memahami mengapa Mars, tidak seperti Bumi, kehilangan sebagian besar airnya.
Ringkasan StudiJutaan tahun yang lalu, Mars adalah sebuah planet dengan permukaan air yang luas, sungai-sungai mengalir di atasnya dan bahkan lautan pun mengamuk. Tetapi waktu berlalu, dan mekanisme alami di planet ini perlahan mengurangi cadangan air, sangat mengubah permukaan Mars tanpa bisa dikenali.
Hari ini, di permukaan Mars, Anda dapat menemukan sangat sedikit daerah dengan air beku, dan di atmosfer uap air hanya ditemukan dalam jumlah jejak. Dengan demikian, Mars saat ini mungkin kehilangan setidaknya 80 persen dari pasokan airnya.
Alasan hilangnya air secara global, tetapi juga jangka panjang adalah bahwa pada lapisan atas atmosfer Mars, radiasi ultraviolet matahari memecah molekul air menjadi hidrogen (H) dan radikal hidroksil (OH). Dan setelah proses ini, terjadi penguapan hidrogen yang tidak dapat diperbaiki ke luar angkasa.
Pengukuran menggunakan probe ilmiah di orbit Mars dan teleskop luar angkasa menunjukkan bahwa bahkan saat ini, uap air di Mars terus membelah dan meninggalkan planet dengan cara ini.
Tetapi bagaimana dan mengapa ini mungkin?Memang, lapisan tengah atmosfer Mars, dengan analogi dengan tropopause di Bumi, praktis dapat memblokir pelarian hidrogen seperti itu, karena pada ketinggian lapisan ini biasanya sudah sangat dingin sehingga uap air berubah menjadi es.
Untuk mendapatkan jawaban atas pertanyaan ini, peneliti Rusia dan Jerman melakukan simulasi yang mengungkapkan mekanisme yang sebelumnya tidak diketahui menyerupai pompa.
Dalam simulasi mereka, aliran di seluruh atmosfer yang menyelimuti Mars dijelaskan secara komprehensif: dari permukaan planet ke lapisan pada ketinggian 160 kilometer.
Perhitungan menunjukkan bahwa lapisan tengah es dari cangkang gas menjadi permeabel terhadap uap air dua kali sehari, tetapi hanya di tempat tertentu di planet ini dan pada waktu tertentu dalam setahun (pada titik tertentu di orbit).
Orbit Mars memainkan peran yang menentukan dalam proses ini: jalur planet di sekitar Matahari, yang berlangsung sekitar dua tahun Bumi, jauh lebih elips daripada Bumi.
Pada titik terdekat dengan Matahari (kira-kira bertepatan dengan musim panas di belahan bumi selatan), Mars kira-kira 42 juta kilometer lebih dekat dengannya daripada di titik terjauh di orbit, sehingga musim panas di belahan bumi selatan terasa lebih hangat daripada di utara.
Ketika musim panas tiba di belahan bumi selatan Mars, maka pada waktu-waktu tertentu uap air dapat naik secara lokal dengan massa udara yang lebih hangat dan mencapai atmosfer bagian atas.
Di sana, arus udara membawa gas ke Kutub Utara, tempat ia kembali mendingin dan mengendap. Namun, sebagian uap air dikeluarkan dari siklus ini: di bawah pengaruh radiasi matahari, molekul air membusuk, dan hidrogen keluar ke ruang angkasa.
Siklus hidrologi yang tidak biasa ini diperkuat oleh fitur lain dari Mars - badai debu besar yang menjangkau seluruh Mars dengan selang waktu beberapa tahun.
Sejumlah besar debu yang beredar di atmosfer selama badai semacam itu memfasilitasi pengangkutan uap air ke atmosfer bagian atas.
Terakhir kali badai debu semacam itu terjadi di Mars pada 2007 dan 2018, mereka juga didokumentasikan secara komprehensif oleh wahana orbital.
Para ilmuwan memperkirakan bahwa selama badai debu 2007, dua kali lebih banyak uap air dilepaskan ke atmosfer atas Mars daripada di masa tenang planet ini.
Karena partikel debu menyerap sinar matahari dan karenanya memanaskannya, suhu atmosfer di Mars naik.
Diterima oleh para ilmuwan dari MIPT dan Institut. Model Max Planck dengan akurasi belum pernah terjadi sebelumnya menunjukkan bagaimana debu di atmosfer mempengaruhi proses mikrofisika yang terkait dengan konversi es menjadi uap air.
Grafik dan aplikasi untuk pekerjaan penelitian:Gambar 1. Aliran uap vertikal
Gambar 1. Variasi musiman dalam lintang aliran vertikal rata-rata uap air, dimodelkan menggunakan data rata-rata pada jumlah debu di atmosfer pada ketinggian yang berbeda: 0, 30, 60, 90, 120, dan 150 km. Nilai positif (aliran naik) ditampilkan dalam warna merah, aliran negatif (turun) ditunjukkan dengan warna biru.
Dengan demikian, kita akan tertarik pada data terutama dalam interval antara Ls = 250◦ dan 270◦.
Pelepasan atom hidrogen ke ruang dekat eksobase bervariasi berdasarkan urutan
besarnya secara musiman, memaksimalkan sekitar titik balik matahari musim panas selatan (bujur matahari Ls ≈
270◦)Sebutan pada Gambar 1 dan Gambar di bawah:
ppmv (bagian per juta volume) adalah unit konsentrasi dalam bagian per juta volume;
Uap air - uap air;
Ketinggian - ketinggian;
Latitude - lintang;
Ls adalah garis bujur matahari;
MY28 - Tahun Mars 28 (pengukuran selama tahun Mars ke-28);
Skenario debu dasar (data rata-rata jumlah debu di atmosfer (berdasarkan data dari penyelidikan Mars MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution)), observatorium otomatis Hubble, satelit Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - dari perangkat Mars Climate Sounder (MCS), instrumen PFS - MEX (Planetary Fourier Spectrometer on board, Mars Express), Mars Global Surveyor);
Badai debu (dust storm) - data tentang jumlah debu di atmosfer dalam badai debu MY28 digunakan.
Gambar 2. Konsentrasi dan suhu uap air
Gambar 2. Konsentrasi dan suhu uap air dalam ketinggian dan garis lintang, dimodelkan menggunakan data rata-rata pada jumlah debu di atmosfer (grafik di kolom di sebelah kiri) dan pada tahun badai debu MY28 (grafik di kolom di sebelah kanan), semua bidang dirata-ratakan di zona dan untuk periode tersebut antara Ls = 250◦ dan 270◦, di mana:
a) uap air (kontur gelap), es air (kontur putih) dan aliran meridional uap air (garis dengan panah, warna dan ketebalannya masing-masing menunjukkan arah vertikal dan ppmv);
(B) sama seperti dalam (a), tetapi untuk badai debu selama MY28;
(c) grafik dengan suhu aliran air untuk skenario debu "utama";
(d) sama seperti pada (c), tetapi untuk skenario badai debu selama MY28, kecuali untuk garis kontur yang menunjukkan perbedaan suhu antara (d) dan (c).
Terlihat bahwa selama badai, konsentrasi uap air di lapisan atas lebih besar, dan suhunya lebih tinggi.
Gambar 3. Konsentrasi uap air pada ketinggian yang berbeda dan pada waktu yang berbeda pada hari Mars.Sol adalah hari Mars. Mereka sedikit lebih lama dari duniawi dan menghasilkan 24 jam, 39 menit, 35.244 detik. Tahun di Mars sama dengan 669,56 "Solam" atau 686,94 hari Bumi.
Gambar 3. Distribusi ketinggian-waktu penyimpangan dari nilai rata-rata untuk konsentrasi uap air (warna ppmv warna) dan kecepatan vertikal (pada kontur, nilai dalam m / s), menurut data untuk periode antara Ls = 250◦ dan 270◦ (koordinat pengukuran - Lat 75S. Lon 0).
Nilai positif dari kecepatan vertikal sesuai dengan gerakan ke atas.
(a) skenario debu "utama":
(B) sama seperti dalam (a), tetapi untuk badai debu selama MY28:
Seperti yang Anda lihat, pada grafik kedua di lapisan atas terdapat lebih banyak jendela dengan konsentrasi uap air yang tinggi dengan kecepatan vertikal positif, yang membentuk aliran naik lebih jauh ke luar angkasa.
Gambar 4. Siklus air tahunan.
Gambar 4. Distribusi vertikal dari total kadar air (uap + es) yang diperoleh:
(a) dan (c) - siang dan malam menurut perangkat Mars Climate Sounder (MCS) yang diinstal pada perangkat Mars Reconnaissance Orbiter (MRO);
(B) dan (D) - siang dan malam sesuai dengan data dari simulasi dalam penelitian ini.
Dalam grafik Gambar 4 di atas:
- pada sore hari - ini sesuai dengan data pukul 15:00 pada waktu Mars;
- Di malam hari - ini sesuai dengan data pukul 03:00 waktu Mars.
Pada semua grafik pada Gambar 4, nilai-nilai dalam bujur dan lintang rata-rata.
Saat memproses data selama simulasi, rata-rata selama waktu lokal dilakukan dalam periode 14: 00–16: 00 dan 02: 00–04: 00.
Dalam kesimpulan dari pekerjaan penelitian mereka, penulis menyimpulkan bahwa atmosfer Mars lebih permeabel terhadap uap air daripada terestrial, dan siklus air musiman terbuka memberikan kontribusi signifikan terhadap kelanjutan fungsi mekanisme alami hilangnya uap air oleh Mars.