Varje planet i vårt solsystem samverkar med strömmen av energiska partiklar som kommer från vår sol. Ofta benämnd ”solvind”, dessa partiklar består huvudsakligen av elektroner, protoner och alfapartiklar som ständigt tar sig till det interstellära utrymmet. Där denna ström kommer i kontakt med planetens magnetosfär eller atmosfär, bildar den en region runt dem känd som en "bågschock".
Dessa regioner bildas framför planeten och bromsar och avleder solvinden när den rör sig förbi - ungefär som hur vattnet avleds runt en båt. När det gäller Mars är det planetens jonosfär som tillhandahåller den ledande miljö som krävs för att en bågschock ska bildas. Och enligt en ny studie från ett team av europeiska forskare förändras Mars: s bockchock som ett resultat av förändringar i planetens atmosfär.
Studien, med titeln "Årliga variationer i Martian Bow Shock Location som observerats av Mars Express Mission", dök upp i Journal of Geophysical Letters: Space Physics. Använda data från Mars Express orbiter, forskargruppen försökte undersöka hur och varför bockchockens läge varierar under flera Martianår och vilka faktorer som huvudsakligen är ansvariga.
Under många decennier har astronomer varit medvetna om att bockchocker bildas uppströms om en planet, där interaktion mellan solvind och planeten får energiska partiklar att sakta ner och gradvis avledas. Där solvinden möter planetens magnetosfär eller atmosfär, bildas en skarp gränslinje, som de sträcker sig runt planeten i en breddande båge.
Det är här termen bågschock kommer från, på grund av dess distinkta form. När det gäller Mars, som inte har ett globalt magnetfält och en ganska tunn atmosfär att starta (mindre än 1% av jordens atmosfärstryck vid havsnivån), är det den elektriskt laddade regionen i den övre atmosfären (jonosfären) som är ansvarig för att skapa bågschock runt planeten.
Samtidigt möjliggör Mars relativt liten storlek, massa och tyngdkraft bildandet av en utsträckt atmosfär (dvs en exosfär). I denna del av Mars 'atmosfär flyr gasformiga atomer och molekyler ut i rymden och interagerar direkt med solvind. Under åren har denna utökade atmosfär och Mars's bågschock observerats av flera orbiteruppdrag, som har upptäckt variationer i den senare gränsen.
Detta tros orsakas av flera faktorer, inte minst avståndet. Eftersom Mars har en relativt excentrisk bana (0,0934 jämfört med jordens 0,0167) varierar dess avstånd från solen ganska mycket - går från 206,7 miljoner km (128,437 miljoner mi; 1,3814 AU) vid perihelion till 249,2 miljoner km (154,8457 miljoner mi; 1,666 AU) vid aphelion.
När planeten är närmare ökar solvindens dynamiska tryck mot dess atmosfär. Men denna förändring i avstånd sammanfaller också med ökningar i mängden inkommande extrem ultraviolett (EUV) solstrålning. Som ett resultat ökar hastigheten med vilken joner och elektroner (alias plasma) produceras i den övre atmosfären, vilket orsakar ökat termiskt tryck som motverkar den inkommande solvinden.
Nyskapade joner i den utökade atmosfären plockas upp och påskyndas av de elektromagnetiska fälten som bärs av solvinden. Detta har effekten att bromsa ner den och få Mars 'bågshock att ändra sin position. Allt detta har varit känt att hända under ett enda marsår - vilket motsvarar 686.971 jorddagar eller 668.5991 marsdagar (sols).
Hur det beter sig under längre perioder är emellertid en fråga som tidigare inte besvarades. Som sådant konsulterade teamet av europeiska forskare data som erhållits av Mars Express uppdrag under en femårsperiod. Dessa uppgifter togs av Analysatorn för rymdplasma och EneRgetic Atoms (ASPERA-3) elektronspektrometer (ELS), som teamet använde för att undersöka totalt 11 861 bågschockkorsningar.
Vad de fann var att bockchocken i genomsnitt är närmare Mars när den är nära aphelion (8102 km) och längre bort vid perihelion (8984 km). Detta fungerar med en variation på cirka 11% under Marsåret, vilket är ganska förenligt med dess excentricitet. Teamet ville dock se vilka (om några) av de tidigare studerade mekanismerna som huvudsakligen var ansvariga för denna förändring.
Mot detta syfte ansåg teamet variationer i solvindtäthet, styrkan hos det interplanetära magnetfältet och solbestrålning som primära orsaker - som alla minskar när planeten blir längre bort från solen. Men vad de fann var att bågschockens läge verkade mer känslig för variationer i solens produktion av extrem UV-strålning snarare än för variationer i själva solvinden.
Variationerna i bågschockavstånd tycktes också vara relaterade till mängden damm i den Martiska atmosfären. Detta ökar när Mars närmar sig perihelion, vilket får atmosfären att ta upp mer solstrålning och värma upp. Precis som hur ökade nivåer av EUV leder till en ökad mängd plasma i jonosfären och exosfären, verkar ökade mängder damm fungera som en buffert mot solvind.
Som Benjamin Hall, en forskare vid Lancaster University i Storbritannien och huvudförfattaren till tidningen, sa i ett ESA-pressmeddelande:
”Dammstormar har tidigare visat sig interagera med den övre atmosfären och jonosfären på Mars, så det kan finnas en indirekt koppling mellan dammstormarna och bågschockläget ... Vi drar dock inga ytterligare slutsatser om hur dammstormarna kan direkt påverka platsen för den Martiska bågschocken och lämna en sådan utredning till en framtida studie. ”
I slutändan kunde Hall och hans team inte utesluta någon faktor när han tog upp varför Mars: s bockchock förskjuts över längre perioder. "Det verkar troligt att ingen enda mekanism kan förklara våra observationer, utan snarare en kombinerad effekt av dem alla," sade han. "För närvarande kan ingen av dem uteslutas."
När vi ser framåt hoppas Hall och hans kollegor att framtida uppdrag kommer att hjälpa till att belysa mekanismerna bakom Mars som växlar bågsocken. Som Hall antydde kommer detta troligen att involvera "" gemensamma utredningar av ESA: s Mars Express och spår Gas Orbiter och NASA: s Maven uppdrag. Tidiga uppgifter från MAVEN verkar bekräfta de trender som vi upptäckte. ”
Även om detta inte är den första analysen som försökte förstå hur Mars atmosfär interagerar med solvind, var denna analys baserad på data som erhållits under en mycket längre tidsperiod än någon tidigare studie. I slutändan avslöjar de flera uppdragen som för närvarande studerar Mars mycket om den planetens atmosfäriska dynamik. En planet som till skillnad från Jorden har ett mycket svagt magnetfält.
Det vi lär oss i processen kommer att gå långt mot att se till att framtida prospekteringsuppdrag till Mars och andra planeter som har svaga magnetfält (som Venus och Mercury) är säkra och effektiva. Det kan till och med hjälpa oss med att skapa permanenta baser på dessa världar en dag!
