Jak wiatr słoneczny pozbawił Marsa atmosfery

Planeta, która kiedyś przypominała Ziemię

Mars to dziś jałowy, bombardowany promieniowaniem świat z atmosferą zaledwie 1% tak gęstą jak ziemska. Temperatury na powierzchni spadają do –80°C w nocy, a ciekła woda nie może przetrwać na powierzchni. Jednak starożytne koryta rzek, baseny jeziorne i złoża mineralne opowiadają zupełnie inną historię. Mniej więcej cztery miliardy lat temu Mars był cieplejszy i bardziej wilgotny – planetą, która mogła stwarzać warunki niezbędne do życia. Co się stało? Krótka odpowiedź wieje od Słońca z prędkością ponad miliona mil na godzinę.

Czym jest wiatr słoneczny?

Wiatr słoneczny to ciągły strumień naładowanych cząstek – głównie protonów i elektronów – które Słońce wyrzuca ze swojej zewnętrznej atmosfery, korony, do Układu Słonecznego. Cząstki te poruszają się z prędkością od 400 do 900 km/s, niosąc ze sobą fragmenty pola magnetycznego Słońca. Kiedy wiatr słoneczny dociera do planety, to, co dzieje się dalej, zależy prawie wyłącznie od jednej rzeczy: czy planeta ta ma własne globalne pole magnetyczne.

Ziemia jest chroniona przez potężną magnetosferę generowaną przez jej stopione, wirujące żelazne jądro. Ta niewidzialna tarcza odchyla większość wiatru słonecznego wokół planety, kierując naładowane cząstki bezpiecznie w kierunku biegunów – gdzie tworzą zorze polarne. Bez tej tarczy nasza atmosfera byłaby powoli erodowana w przestrzeń kosmiczną. Mars, katastrofalnie, utracił tę ochronę dawno temu.

Jak Mars stracił swoją tarczę magnetyczną

Naukowcy uważają, że Mars miał kiedyś aktywne pole magnetyczne generowane przez dynamo w swoim metalicznym jądrze, podobnie jak Ziemia. Ale Mars ma mniej więcej połowę średnicy Ziemi i jedną dziesiątą jej masy, co oznacza, że jego wnętrze ostygło znacznie szybciej. Między 3,7 a 4,2 miliarda lat temu to wewnętrzne dynamo wyłączyło się. Globalne pole magnetyczne załamało się, a Mars został nagi wobec wiatru słonecznego.

Badania opublikowane w Harvard Gazette i poparte danymi z meteorytów marsjańskich pomogły zawęzić tę oś czasu. Niektóre regiony marsjańskiej skorupy nadal niosą skamieniałe sygnatury magnetyczne – pozostałości starożytnego pola zamrożone w skale, zanim dynamo umarło. Te anomalie skorupowe należą do najsilniejszych dowodów na to, że Mars miał kiedyś ochronną magnetosferę porównywalną z ziemską.

Jak wiatr słoneczny eroduje atmosferę

Bez tarczy magnetycznej wiatr słoneczny oddziałuje bezpośrednio z górną atmosferą Marsa. Dwa główne procesy napędzają utratę atmosfery:

• Przechwytywanie jonów: Pole magnetyczne osadzone w wietrze słonecznym generuje pole elektryczne, gdy przelatuje obok Marsa. Pole to przyspiesza naładowane elektrycznie atomy i cząsteczki w górnej atmosferze – zwane jonami – i wyrzuca je w przestrzeń kosmiczną z ogromną prędkością.
• Rozpylanie: Cząstki wiatru słonecznego o wysokiej energii uderzają w marsjańską atmosferę i fizycznie wybijają cząsteczki gazu, podobnie jak kule bilardowe rozpraszające się po stole.

Procesy te mogą wydawać się powolne, ale w czasie geologicznym są niszczycielskie. NASA szacuje, że wiatr słoneczny obecnie pozbawia Marsa około 100 gramów atmosfery na sekundę – a podczas burz słonecznych tempo to gwałtownie wzrasta. Pomnóż to przez miliardy lat, a skumulowana strata jest oszałamiająca.

Co ujawniła misja MAVEN NASA

Najwyraźniejszy obraz tego procesu pochodzi z MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN), statku kosmicznego NASA, który krąży wokół Marsa od 2014 roku. MAVEN został zaprojektowany specjalnie do badania górnej atmosfery i pomiaru, jak szybko jest ona tracona w kosmos.

Jego odkrycia, o których donosiła NASA i szczegółowo opisało Planetary Society, były uderzające. MAVEN potwierdził, że pozbawianie atmosfery przez wiatr słoneczny jest dominującym mechanizmem utraty atmosfery Marsa. Statek kosmiczny zmierzył, że około 65% całego argonu, który kiedyś istniał w marsjańskiej atmosferze, zostało już utracone w kosmos. Argon jest chemicznie obojętny, więc jego utrata jest czystym wskaźnikiem ucieczki fizycznej – niezakłóconej reakcjami chemicznymi.

MAVEN zmapował również, gdzie ucieka gaz. Około 75% wypływa przez ogon magnetosfery planety – obszar bezpośrednio za Marsem, z dala od Słońca – podczas gdy około 25% ucieka przez pióropusze polarne. Rozproszona aureola uciekającego gazu otacza całą planetę.

Jedna z dramatycznych obserwacji MAVEN miała miejsce, gdy wiatr słoneczny tymczasowo zniknął podczas niezwykłego uspokojenia aktywności słonecznej. Cienka atmosfera Marsa widocznie rozszerzyła się na zewnątrz bez ciśnienia wiatru. Kiedy wiatr słoneczny powrócił, utrata atmosfery została wznowiona. Eksperyment dostarczył żywej demonstracji mechanizmu w czasie rzeczywistym.

Co to oznacza dla Marsa – i dla życia

W miarę jak atmosfera rozrzedzała się przez miliardy lat, efekt cieplarniany Marsa osłabł, temperatury spadły, a ciekła woda nie mogła już utrzymywać się na powierzchni. Oceany i rzeki planety powoli zamarzały lub wyparowywały w przestrzeń kosmiczną. Około 3,5 miliarda lat temu Mars przekształcił się z potencjalnie nadającego się do zamieszkania świata w zimną pustynię, którą obserwują dziś naukowcy.

Ta historia ma głębokie implikacje dla poszukiwania życia. Jeśli życie kiedykolwiek powstało na Marsie, najprawdopodobniej stało się to w pierwszym miliardzie lat planety, zanim atmosfera się załamała. Badania opublikowane w The Conversation zauważają, że wszelkie przetrwałe życie dzisiaj musiałoby być chronione pod ziemią, chronione zarówno przed zimnem, jak i intensywnym promieniowaniem ultrafioletowym, które teraz bez przeszkód kąpie powierzchnię.

Dlaczego to ma znaczenie poza Marsem

Historia Marsa jest również przestrogą o tym, co sprawia, że planeta nadaje się do zamieszkania. Pole magnetyczne Ziemi – utrzymywane przez jej wciąż aktywne jądro – nie jest cechą stałą. Osłabło, a nawet odwróciło polaryzację wiele razy w historii Ziemi. Naukowcy uważnie badają te odwrócenia, ponieważ osłabiona magnetosfera, nawet tymczasowo, mogłaby narazić atmosferę Ziemi na większą erozję wiatru słonecznego.

Zrozumienie mechanizmów, które ogołociły Marsa, pomaga planetologom zidentyfikować, które egzoplanety – światy krążące wokół innych gwiazd – najprawdopodobniej zachowają atmosfery wystarczająco gęste, aby podtrzymywać życie. Rozmiar planety, ciepło wewnętrzne i odległość od gwiazdy wpływają na ten rachunek. Okazuje się, że Mars był po prostu zbyt mały, aby pozostać aktywny geologicznie wystarczająco długo, aby utrzymać swoją tarczę.