Op woensdag 10 april 2019 het prestigieuze wetenschappelijk tijdschrift Nature twee artikels met de eerste resultaten van het Belgisch instrument NOMAD aan boord van de ExoMars Trace Gas Orbiter, TGO. Nieuwe aanwijzingen van de impact van de recente planeetomvattende stofstorm op water in de atmosfeer, waaronder de eerste verticale metingen van halfzwaar water op Mars, en een verrassend gebrek aan methaan, behoren tot de wetenschappelijke hoogtepunten van TGO’s eerste jaar rond Mars. Hoofdonderzoeker van het NOMAD-instrument, Ann Carine Vandaele van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie is opgetogen met de resultaten.
De gezamenlijke ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter, oftewel TGO, arriveerde in oktober 2016 bij de rode planeet en had meer dan een jaar nodig om, met behulp van de aerobraking-techniek (afremmen a.d.h.v. de atmosfeer), zijn uiteindelijke twee uur durende wetenschappelijke baan op 400 km boven het oppervlak van Mars te bereiken. De wetenschappelijke doelstelling van TGO en haar Belgische bijdrage NOMAD was om de atmosferische samenstelling van Mars met ongekende nauwkeurigheid te onderzoeken. Zijn wetenschappelijke missie begon eind april 2018, en toevallig vond amper een paar maanden later, in juni, de grootste stofstorm plaats die ooit op Mars werd waargenomen. Hierdoor bevond NOMAD zich in de perfecte positie om unieke waarnemingen van de start en de ontwikkeling van de storm uit te voeren, en om te volgen hoe de toenemende hoeveelheid stof de waterdamp in de atmosfeer beïnvloedde. Belangrijkst is dat voor het eerst de verticale verdeling van halfzwaar water1 (HDO) op Mars kon gemeten worden. Dit is belangrijk voor het begrijpen van de geschiedenis van water op Mars in de loop van de tijd. Wetenschappers vermoeden namelijk dat Mars in het verleden veel water bezat, inclusief vloeibaar water, en een van de meest fascinerende mysteries is wat er met dit water is gebeurd. De NOMAD-observaties zullen hier hopelijk een antwoord op kunnen bieden.
Daarnaast heeft NOMAD ook naar methaan gezocht, een organische verbinding dat mogelijk een antwoord kan leveren op de vraag of er ooit leven was op Mars. In het verleden werd methaan herhaaldelijk gerapporteerd door verschillende ruimtemissies en waarnemingen vanop Aarde, waaronder vorige week nog de ontdekking van een methaanpiek door een andere ESA-missie waaraan het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie ook heeft bijgedragen. Toch hebben noch NOMAD noch zijn Russische tegenhanger aan boord van TGO, de ACS-spectrometer, methaan gedetecteerd, zelfs niet bij zeer lage concentraties. Dit valt met geen enkele van de huidige gekende fysische of chemische processen te verenigen met de eerdere waarnemingen, wat betekent dat het mysterie van de aanwezigheid van methaan op Mars net groter is geworden.
De belangrijkste wetenschappelijke missie van ExoMars Trace Gas Orbiter begon eind april 2018, slechts een paar
maanden voor het begin van de globale stofstorm die de planeet
volledig omhulde - Foto: ATG/Medialab; data: A-C Vandaele
Het benutten van de stofstorm
De twee spectrometers aan boord van TGO – NOMAD en ACS – maakten de eerste hoge resolutie metingen van de atmosfeer, op basis van de zonneoccultatie-techniek. Door te kijken naar de manier waarop de atmosfeer van Mars het licht van de zon absorbeert, is NOMAD in staat om de verticale verdeling van waterdamp (H2O) en halfzwaar water (HDO) te meten, vanaf dicht boven het marsoppervlak tot op 80 km hoogte. De nieuwe resultaten volgen de invloed van atmosferisch stof op water, samen met het ontsnappen van waterstofatomen in de ruimte. “Op de noordelijke breedtegraden zagen we stofwolken ontstaan op hoogtes van ongeveer 25-40 km die er eerder niet waren, en op zuidelijke breedtegraden zagen we stoflagen naar hogere hoogtes bewegen. De toename in hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer, in reactie op het feit dat dit stof de warmte van de zon absorbeerde, gebeurde opvallend snel, over een periode van slechts een paar dagen tijdens het begin van de storm, wat een snelle reactie van de atmosfeer op de stofstorm aangeeft,"zegt Ann Carine Vandaele, hoofdonderzoeker van NOMAD. "De waarnemingen komen overeen met onze globale circulatiemodellen."
De teams maakten ook de eerste observaties van de verticale verdeling van halfzwaar water gelijktijdig met waterdamp, wat belangrijke informatie opleverde over de processen die de hoeveelheid waterstof- en deuteriumatomen die naar de ruimte ontsnappen controleren. Ann Carine gaat verder: “Voor de eerste keer kon de verticale verdeling van de deuterium-over-waterstof (D/H) verhouding worden afgeleid, wat een belangrijke aanwijzing is voor de evolutie van de waterinventarisatie op Mars. Met deze informatie kunnen computermodellen verder begrensd worden en dit zal ons begrip van het lot van de - ooit zo waterrijke - atmosfeer van Mars verbeteren.”
Het methaan-mysterie neemt toe
NOMAD begon ook aan metingen van andere spoorgassen in de Marsatmosfeer. Spoorgassen nemen minder dan één percent in van het volume van de atmosfeer en vereisen zeer nauwkeurige meettechnieken om hun exacte chemische vingerafdrukken in de samenstelling te bepalen. Methaan is van bijzonder belang voor Mars-wetenschappers, omdat het op Aarde zowel een teken van leven als van geologische processen kan zijn. Omdat het door zonnestraling slechts op tijdschalen van enkele honderden jaren kan worden vernietigd, impliceert elke huidige detectie van de molecule dat het relatief kort geleden is vrijgegekomen - zelfs als het methaan zelf miljoenen of miljarden jaren geleden is geproduceerd en tot nu toe vastzat in ondergrondse reservoirs. Bovendien worden spoorgassen op tijdschalen van enkele uren of dagen efficiënt gemengd dichtbij het oppervlak van de planeet, en voorspellen globale windcirculatiemodellen dat het methaan op enkele maanden tijd gelijkmatig over de planeet zou worden verdeeld. Rapporteringen van methaan in de Marsatmosfeer zijn onderwerp van intensieve discussies omdat detecties tot nu toe zeer sporadisch zijn geweest in tijd en locatie, en vaak aan de grens van de detectielimieten van de instrumenten lagen.
Instrumentwetenschapper Frank Daerden legt uit: "De nieuwe resultaten van TGO bieden de meest gedetailleerde globale analyse tot nu toe, en NOMAD-metingen werden volledig ondersteund door het ACS-instrument. Tijdens het eerste jaar van observatie werd geen methaan gedetecteerd tot een bovengrens van 0,05 ppbv (parts per billion by volume) of m.a.w. minder dan 50 methaanmoleculen per biljoen (1012) luchtmoleculen. Dit betekent nog steeds dat er tot 500 ton methaan zou kunnen worden uitgestoten gedurende een voorspelde levensduur van 300 jaar voor de molecule, wanneer enkel atmosferische vernietigingsprocessen worden meegerekend, maar verspreid over de gehele atmosfeer is dit extreem laag, 10-100 keer lager dan alle vorige gerapporteerde detecties.” Dit betekent dat we de voorgaande metingen nog niet begrijpen, en indien deze correct zijn, dat er een tot op heden onbekend mechanisme aan de gang is dat methaan op Mars vernietigt.
