Marsin ilmakehä: koostumus, paine, pöly, metaani ja vesihistoria

Marsin ilmakehä: syvä katsaus koostumukseen, matalaan paineeseen, pölyyn, mysteeriseen metaaniin ja menneeseen vesihistoriaan — mitä se paljastaa elämästä ja ihmismatkailusta?

Marsin ilmakehä on Marsia ympäröivä kaasukerros. Se koostuu pääasiassa hiilidioksidista. Marsin pinnan keskimääräinen ilmanpaine (6,0 mbar) on paljon alhaisempi kuin Maassa (1 013 mbar). Paine on selvästi Armstrongin rajan alapuolella (Armstrongin raja on luokkaa 63 mbar), mikä tarkoittaa, että vesi kiehuu ihmiskehon normaalilämpötilassa: 98,6 °F (36,6 °C). Marsin heikompi massa ja pienempi painovoima (noin 0,38 g) yhdessä kylmien pintalämpötilojen kanssa tuottavat ilmakehälle varsin suuren skaala­korkeuden (kymmeniä kilometrejä), mutta kokonaiskaasumäärä on maapalloa hyvin vähäisempi. Pinnalla vallitsevat lämpötilat vaihtelevat tyypillisesti noin −125 °C napojen talvella ja noin +20 °C päiväsaikaan ekvaattorin seudulla.

Koostumus ja vaihtelut

Marsin ilmakehä sisältää pääasiassa hiilidioksidia ja pieniä osuuksia muita kaasuja. Tyypilliset pitoisuudet ovat:

• hiilidioksidi noin 95 % (<— hiilidioksidia)
• typen ja argonin seokset yhteensä muutaman prosentin luokkaa (esimerkiksi argonia ja typpeä)
• hyvin pienet määrät happea, hiilimonoksidia, vesihöyryä (vettä) ja metaania.

Nämä arvot vaihtelevat paikallisesti ja vuodenaikojen mukaan. Polaariset jäätiköt sitovat suuren osan Marsin hiilidioksidista talven ajaksi, minkä seurauksena pinnan ilmanpaine voi vaihdella jopa kymmenien prosenttien verran vuodenaikojen mukaan.

Pöly, myrskyt ja ilmakehän optiset ominaisuudet

Marsin ilmakehä on melko pölyinen, mikä antaa Marsin taivaalle vaaleanruskean tai oranssinpunaisen värin pinnalta katsottuna. NASA:n tiedot osoittivat, että pölyhiukkaset ovat halkaisijaltaan ~1,5 mikrometriä. Pienet hiukkaset pysyvät pitkään ilmakehässä ja voivat levitä ympäri planeettaa. Ajoittain syntyy paikallisia pölymyrskyjä, ja joskus nämä kehittyvät planeettoja ympäröiviksi globaaliksi pölymyrskyiksi, jotka voivat kestää viikkoja tai kuukausia ja vaikuttaa merkittävästi pintalämpötiloihin ja aurinkopaneelien tehoon.

Lisäksi Marsissa esiintyy pölypatsaita ja pölypiruja (dust devils), jotka kuljettavat pölyä ja muokkaavat pintaa. Hiukkasten kemialliset ominaisuudet – erityisesti rautaoksidit – antavat Marsille sen punaisen sävyn.

Metaani ja muut hämmennystä aiheuttavat kaasut

Ilmakehässä on havaittu pieniä määriä metaania; ensimmäiset kiistanalaiset havainnot raportoitiin alkuvuosikymmeninä 2000-luvulla (mainittu löydös vuonna 2003). Metaanin esiintyminen on kiinnostavaa, koska se voi olla seurausta joko biologisista prosesseista tai abioottisista geokemiallisista lähteistä, kuten vulkaanisesta tai hydrotermisestä toiminnasta, serpentinisaatiosta tai sokkeloisista varastomuodoista (esim. klatraatit).

Mielenkiintoista on, että metaanin havaittu runsaus vaihtelee paikallisesti ja vuosittain. Maapallon mittakaavassa odotettaisiin metaanin pysyvän ilmakehässä satoja vuosia, mutta Marsissa näyttää olevan tehokkaampia häviöprosesseja (esimerkiksi fotokemialliset reaktiot ja pintakatalyysi), jotka voivat selittää nopeat vaihtelut. Robottilähettiläät, kuten Curiosity, ovat mitanneet pieniä taustapitoisuuksia sekä ajoittaisia piikkejä, mutta metaanin lähde ja hysteresis ovat edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena.

Sään ilmiöt ja erikoistapaukset

18. maaliskuuta 2015 NASA havaitsi Marsin ilmakehässä revontulia, joita ei täysin ymmärretä, ja selittämättömän pölypilven. Marsin revontulet syntyvät auroran kaltaisista ilmiöistä, joissa auringosta tulevat varautuneet hiukkaset vuorovaikuttavat ilmakehän ja paikallisten magneettikenttien kanssa; Marsilla ne voivat olla laajemmassa mittakaavassa ja eri mekanismeilla kuin Maassa, koska Marsilla ei ole globaalia magneettikenttää vaan paikallisia jäänteitä kovasta kuorikerroksesta.

Vesihistoria ja ilmakehän menetys

Nestemäinen vesi oli aikoinaan Marsissa yleistä, mikä tarkoittaa, että ilmakehä oli paksumpi. Avaruustutkimukset ovat löytäneet laajoja laaksoverkostoja, jokikuviota, delta- ja järvialtaita sekä veden läsnäolosta kertovia mineraaleja (esim. savimineraalit ja sulfaatit), jotka viittaavat pitkäaikaiseen ja paikallisesti happamampaan pinnalliseen veteen noin 3–4 miljardin vuoden takaisessa menneisyydessä.

Monissa tutkimuksissa on havaittu, että Marsin ilmakehä on ajan myötä heikentynyt aurinkotuulien ja säteilyprosessien vaikutuksesta. NASA:n MAVEN-luotain on havainnut, miten aurinkotuuli on voinut aikojen kuluessa kuljettaa karkea-annokset kaasua avaruuteen (sputterointi ja fotokemiallinen poisto), erityisesti kun planeetalta puuttui vahva globaali magneettikenttä. Maassa magneettikenttä suojaa meitä suurimmalta osalta tuulesta. Marsissa oli ennen magneettikenttä, mutta ytimen jäähtyminen on johtanut magneettikentän häviämiseen, mikä altisti pinnan suoran vuorovaikutuksen avaruussäteilyn ja hiukkasvirtauksien kanssa.

Nykyään suuri osa Marsin vedestä on sidottuna polaarisiin jäälohkareisiin ja laajoihin sublataalisiin (matalassa maaperässä oleviin) jäätai niksi-kerroksiin. Tutkimuksissa on löydetty laajoja vesijääesiintymiä ja mahdollisia suolahappoja sisältäviä suolaliuoksia; esimerkiksi tutkijat ovat ehdottaneet subglaciaalisen järven olemassaoloa eteläisen napajään alla, mutta tämä tulos on ollut myös kiistanalainen ja vaatii lisävahvistusta. Joitakin pinnallisia lyhytaikaisia juoksevan veden merkkejä (kuten recurring slope lineae) on aiemmin tulkittu suoloihin liittyviksi suolavirtauksiksi, mutta nykytulkinnat korostavat usein kuivia, hienorakeisia prosesseja.

Yhteenveto

• Ilmakehä on ohut ja pääosin hiilidioksidia, keskimääräinen paine on noin 6 mbar.
• Pöly muokkaa näkyvyyttä ja ilmastoa; hiukkaset ovat hyvin pieniä (~1,5 mikrometriä) ja pölymyrskyt voivat olla planeetan laajuisia.
• Metaani on läsnä pieninä pitoisuuksina; sen lähde on vielä epävarma ja voi olla joko biologinen tai abioottinen.
• Vesihistoria viittaa paksumpaan ilmakehään ja vesiympäristöihin menneisyydessä; ilmakehä on menettänyt suurimman osan kaasustaan aurinkotuulen ja muiden prosessien seurauksena.

Marsin ilmakehä on dynaaminen ja monimutkainen järjestelmä, jonka tarkempi ymmärtäminen vaatii yhä lisää mittauksia ja kenttätutkimuksia. Useat nykyiset ja tulevat tehtävät (esim. MAVEN, Curiosity, ExoMars, tulevat näytteenpalautus- ja ihmiselon tehtävät) pyrkivät kartuttamaan tietoa ilmakehän koostumuksesta, häviömekanismeista, pölyn käyttäytymisestä ja veden nykyisestä sekä menneestä jakautumisesta.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mistä Marsin ilmakehä koostuu pääasiassa?

K: Miten Marsin ilmanpaine vertautuu Maan ilmanpaineeseen?

K: Mitä muita kaasuja Marsin ilmakehässä on?

K: Minkä väriseltä taivas näyttää pinnalta katsottuna sen ilmakehässä olevien pölyhiukkasten vuoksi?

K: Kuinka suuria nämä pölyhiukkaset ovat?

Kysymys: Mikä oli aikoinaan tavallista Marsissa, mikä osoittaa, että Marsilla oli jossain vaiheessa paksumpi ilmakehä?

K: Miksi tämä on muuttunut ajan myötä?

Hae kirjaimella