Tack vare decennier med utforskning med hjälp av robotbanoruppdrag, landare och rover är forskare säkra på att för miljarder år sedan flödade flytande vatten på ytan av Mars. Utöver det har många frågor kvarblivit, som inkluderar om vattenflödet var intermittent eller regelbundet eller inte. Med andra ord, var Mars verkligen en "varm och våt" miljö för miljarder år sedan, eller var det mer i linje med "kallt och isigt"?
Dessa frågor har kvarstått på grund av arten på Mars yta och atmosfär, som erbjuder konflikter. Enligt en ny studie från Brown University verkar det som om båda kan vara fallet. I grund och botten kunde tidiga Mars ha haft betydande mängder ytis som upplevde periodisk smältning och producerat tillräckligt med flytande vatten för att rista ut de gamla dalarna och sjöarna som sågs på planeten idag.
Studien, med titeln "Late Noachian Icy Highlands klimatmodell: Att undersöka möjligheten till övergående smältning och fluvial / Lacustrine aktivitet genom höga årliga och säsongstemperaturer", nyligen dök upp i Icarus. Ashley Palumbo - doktorsexamen student med Browns avdelning för jord-, miljö- och planvetenskap - ledde studien och åtföljdes av hennes övervakande professor (Jim Head) och professor Robin Wordsworth från Harvard University's School of Engineering and Applied Sciences.
För deras studie försökte Palumbo och hennes kollegor hitta bron mellan Mars 'geologi (vilket antyder att planeten en gång var varm och våt) och dess atmosfäriska modeller, som tyder på att det var kallt och isigt. Som de demonstrerade är det troligt att Mars i allmänhet frystes över med glaciärer. Under höga dagliga temperaturer på sommaren skulle dessa glaciärer smälta vid kanterna för att producera strömmande vatten.
Efter många år, drog de slutsatsen att dessa små avsättningar av smältvatten skulle ha varit tillräckligt för att snida de funktioner som observerades på ytan idag. De mest anmärkningsvärda kunde de ha snidit de typer av dalnät som har observerats på Mars södra högländer. Som Palumbo förklarade i ett pressmeddelande från Brown University, var deras studie inspirerad av liknande klimatdynamik som äger rum här på jorden:
”Vi ser detta i de antarktiska torra dalarna, där säsongens temperaturvariation är tillräcklig för att bilda och upprätthålla sjöar även om den genomsnittliga årliga temperaturen ligger långt under frysen. Vi ville se om något liknande kan vara möjligt för antika Mars. ”
För att bestämma kopplingen mellan de atmosfäriska modellerna och geologiska bevis började Palumbo och hennes team med en modern klimatmodell för Mars. Denna modell antog att atmosfären för fyra miljarder år sedan huvudsakligen bestod av koldioxid (som den är idag) och att solens produktion var mycket svagare än nu. Från denna modell bestämde de att Mars generellt sett var kallt och isigt under sina tidigare dagar.
Men de inkluderade också ett antal variabler som också kan ha funnits på Mars för 4 miljarder år sedan. Dessa inkluderar närvaron av en tjockare atmosfär, vilket skulle ha möjliggjort en mer betydande växthuseffekt. Eftersom forskare inte kan komma överens om hur tät Mars 'atmosfär var mellan 4,2 och 3,7 miljarder år sedan, körde Palumbo och hennes team modellerna för att ta hänsyn till olika troliga nivåer av atmosfärstäthet.
De betraktade också variationer i Mars: s bana som kunde ha funnits för 4 miljarder år sedan, vilket också har varit föremål för vissa gissningar. Även här testade de ett brett utbud av rimliga scenarier, som inkluderade skillnader i axiell lutning och olika grader av excentricitet. Detta skulle ha påverkat hur mycket solljus som mottas av en halvklot över en annan och lett till mer betydande säsongsvariationer i temperatur.
I slutändan producerade modellen scenarier där is täckte regioner nära platsen för dalnätverket i de södra högländerna. Medan planetens genomsnittliga årliga temperatur i dessa scenarier låg långt under frysning, producerade den också höga sommartemperaturer i regionen som steg över frysning. Det enda som återstod var att visa att volymen vatten som producerades skulle räcka för att snida dessa dalar.
Lyckligtvis, redan 2015, skapade professor Jim Head och Eliot Rosenberg (en grundexamen med Brown vid den tiden) en studie som uppskattade den minsta mängden vatten som krävs för att producera den största av dessa dalar. Med hjälp av dessa uppskattningar, tillsammans med andra studier som gav uppskattningar av nödvändiga avrinningshastigheter och varaktigheten av bildandet av dalnätverket, fann Palumbo och hennes kollegor ett modellberoende scenario som fungerade.
I grund och botten fann de att om Mars hade en excentricitet på 0,17 (jämfört med den nuvarande excentriciteten på 0,0934), en axiell lutning på 25 ° (jämfört med 25,19 ° idag), och ett atmosfärstryck på 600 mbar (100 gånger vad det är idag) då skulle det ha tagit cirka 33 000 till 1 083 000 år att producera tillräckligt med smältvatten för att bilda dalnätverk. Men om man antar för en cirkulär bana, en axiell kakel på 25 ° och en atmosfär på 1000 mbar, skulle det ha tagit cirka 21 000 till 550 000 år.
De grader av excentricitet och axiell lutning som krävs i dessa scenarier ligger väl inom området för möjliga banor för Mars för 4 miljarder år sedan. Och som Head antydde, kunde denna studie förena de atmosfäriska och geologiska bevis som har varit i otrogen tidigare:
”Detta arbete lägger till en trolig hypotes för att förklara hur flytande vatten kunde ha bildats på tidiga Mars, på ett sätt som liknar säsongsmältningen som producerar de bäckar och sjöar som vi observerar under vårt fältarbete i de antarktiska McMurdo Dry Valleys. Vi undersöker för närvarande ytterligare kandidatuppvärmningsmekanismer, inklusive vulkanism och slagkrater, som också kan bidra till smältning av ett kallt och isigt tidigt Mars. ”
Det är också betydelsefullt genom att det visar att Mars-klimatet utsattes för variationer som också händer regelbundet här på jorden. Detta ger ännu en indikation på hur våra två plan liknar på vissa sätt, och hur forskning av det ena kan bidra till att främja vår förståelse av det andra. Sist, men inte minst, erbjuder det en viss syntes till ett ämne som har gett en rättvis andel av oenighet.
Ämnet om hur Mars kunde ha upplevt varmt, strömmande vatten på ytan - och i en tid då solens produktion var mycket svagare än det är idag - har varit föremål för mycket debatt. Under de senaste åren har forskare tagit fram olika förslag på hur planeten kan ha värmts, allt från cirrusmoln till periodiska utbrott av metangas under ytan.
Även om denna senaste studie inte riktigt har avgjort debatten mellan de "varma och vattniga" och de "kalla och iskalla" lägren, erbjuder den tvingande bevis på att de två inte kan vara uteslutande. Studien var också föremål för en presentation som gjordes vid den 48: e Lunar and Planetary Science Conference, som ägde rum den 20 till 24 mars i The Woodland, Texas.
