Wszyscy znamy Marsa jako „Czerwoną Planetę”. Jednak najnowsze zdjęcie wykonane przez należącą do ESA sondę ExoMars Trace Gas Orbiter pokazuje, że jej atmosfera świeci – zielony. Orbiter wykrył świecący zielony tlen w atmosferze Marsa, co samo w sobie jest ekscytujące. Ale to nie wszystko – po raz pierwszy tę emisję zaobserwowano wokół planety innej niż Ziemia.

Zielony blask (aurora) na Ziemi

Zacznijmy od wyjaśnienia, czym jest ta zielona poświata na Ziemi. W końcu widzieliśmy to tutaj. Zwykle występuje na dalekiej północy i południu w postaci zorzy polarnej. Ale dzięki niedawnym burzom słonecznym widzieliśmy zorze w miejscach położonych bliżej równika.

Jednak zorze nie są jedynym źródłem zielonkawej poświaty na niebie. Atmosfery planet, zarówno Marsa, jak i Ziemi, świecą przez cały czas, w dzień i w nocy. Dzieje się tak, gdy światło słoneczne oddziałuje z atomami i cząsteczkami atmosfery. Poświata dzienna i nocna wynikają z nieco odmiennych mechanizmów: poświata nocna powstaje w wyniku ponownego łączenia rozbitych cząsteczek. Natomiast poświata dzienna powstaje, gdy światło słoneczne bezpośrednio wzbudza atomy i cząsteczki, takie jak azot i tlen.

Zielona nocna poświata Ziemi jest dość słaba. Najlepszą perspektywą, aby go zobaczyć, jest „od krawędzi”, ponieważ astronauci ISS uchwycili go na wielu zapierających dech w piersiach zdjęciach. To osłabienie stanowi wyzwanie w wykrywaniu nocnego blasku wokół innych planet, ponieważ ich jaśniejsze powierzchnie mogą je przesłaniać.

Zielony blask na Marsie

Jak wspomniałem, jest to pierwszy przypadek odkrycia tej zielonej poświaty na Marsie. Uchwycił go statek kosmiczny ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), który krąży po orbicie Marsa od października 2016 r.

„Jedna z najjaśniejszych emisji obserwowanych na Ziemi ma swoje źródło w poświacie nocnej” – mówi Jean-Claude Gérard z Université de Liège w Belgii i główny autor nowego badania opublikowanego w Nature Astronomy. „A dokładniej, z atomów tlenu emitujących światło o określonej długości fali, jakiego nigdy nie widziano na innej planecie”.

Gérard zauważa, że ​​przewiduje się, że emisja ta będzie występować na Marsie od około 40 lat. „Dzięki TGO znaleźliśmy to.”

Gérard i współpracownicy wykorzystali specjalny tryb obserwacyjny TGO, aby wykryć tę emisję.

Jeden z najnowocześniejszych zestawów instrumentów orbitera, NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery), obejmuje spektrometr ultrafioletowy i widzialny (UVIS). NOMAD może działać w różnych konfiguracjach, w tym w takiej, która kieruje swoje instrumenty bezpośrednio w dół na powierzchnię Marsa, co jest konfiguracją znaną jako kanał „nadir”.

Ann Carine Vandaele z Institut Royal d’Aéronomie Spatiale de Belgique w Belgii jest współautorką wraz z Gérardem i głównym badaczem NOMAD. Ona dodaje:

„Poprzednie obserwacje nie uchwyciły żadnego rodzaju zielonego blasku na Marsie, więc zdecydowaliśmy się zmienić orientację kanału nadiru UVIS, tak aby wskazywał „krawędź” Marsa, podobnie do perspektywy widocznej na zdjęciach Ziemi wykonanych z ISS.”

W dniach od 24 kwietnia do 1 grudnia 2019 r. zespół wykorzystał NOMAD-UVIS do skanowania wysokości od 20 do 400 kilometrów od powierzchni Marsa dwa razy na orbitę. Analizując te zbiory danych, we wszystkich odkryli emisję zielonego tlenu. „Emisja była najsilniejsza na wysokości około 80 kilometrów i zmieniała się w zależności od zmieniającej się odległości między Marsem a Słońcem” – dodaje Vandaele.

Znaczenie tych ustaleń

Badanie blasku atmosfer planet ujawnia mnóstwo informacji na temat ich składu i dynamiki. Dowiadujemy się także, w jaki sposób energia jest przekazywana zarówno przez światło słoneczne, jak i wiatr słoneczny, czyli strumień naładowanych cząstek emanujących z naszej gwiazdy.

Zespół rozpoczął dokładne badanie, aby głębiej poznać procesy stojące za zielonym blaskiem Marsa i porównać go z naszą planetą. „Modelowaliśmy tę emisję i odkryliśmy, że powstaje ona głównie w postaci dwutlenku węgla, czyli CO2, rozkładanego na części składowe: tlenek węgla i tlen” – mówi Gérard. „Widzieliśmy powstałe atomy tlenu świecące zarówno w świetle widzialnym, jak i ultrafioletowym”.

Jednoczesne porównanie tych dwóch rodzajów emisji wykazało, że emisja widzialna była 16,5 razy intensywniejsza niż ultrafiolet.

„Obserwacje na Marsie zgadzają się z poprzednimi modelami teoretycznymi, ale nie z rzeczywistym świeceniem, które zaobserwowaliśmy wokół Ziemi, gdzie emisja widzialna jest znacznie słabsza. Sugeruje to, że musimy się jeszcze więcej dowiedzieć o tym, jak zachowują się atomy tlenu, co jest niezwykle ważne dla naszego zrozumienia fizyki atomowej i kwantowej”.

Zrozumienie zielonego blasku atmosfery Marsa ma kluczowe znaczenie dla scharakteryzowania atmosfer planet i powiązanych zjawisk, takich jak zorze polarne. Odkrywając strukturę i zachowanie tej świecącej warstwy, naukowcy mogą uzyskać cenne informacje na temat zakresu wysokości, który w dużej mierze pozostaje niezbadany. Mogą także monitorować zmiany tej warstwy w odpowiedzi na zmiany w aktywności Słońca i pozycji orbitalnej Marsa.

Håkan Svedhem, naukowiec zajmujący się projektem TGO w ESA, wyjaśnia:

„To pierwszy przypadek zaobserwowania tej ważnej emisji wokół innej planety poza Ziemią i stanowi pierwszą publikację naukową opartą na obserwacjach z kanału UVIS instrumentu NOMAD na sondzie ExoMars Trace Gas Orbiter. Świadczy to o wyjątkowo wysokiej czułości i jakości optycznej instrumentu NOMAD. Jest to szczególnie prawdziwe, biorąc pod uwagę, że w ramach tego badania zbadano dzienną stronę Marsa, która jest znacznie jaśniejsza niż nocna, co jeszcze bardziej utrudnia dostrzeżenie tej słabej emisji”.

Zrozumienie właściwości atmosfery Marsa jest przede wszystkim fascynujące i istotne dla nauki. Ale jest to również niezbędne do pomyślnego przeprowadzenia misji na Czerwoną Planetę. Na przykład gęstość atmosfery bezpośrednio wpływa na opór, jaki wywierają krążące wokół orbity satelity i spadochrony używane do dostarczania sond na powierzchnię Marsa.

[via Space.com; Image credits: NASA]