Selvom jordiske videnskabsmænd studerer Mars intenst, er det stadig et mystisk sted.
En af de slående ting ved Mars er alle beviserne, tydeligt synlige på dens overflade, for at den rummede flydende vand. Nu er alt det vand væk, og faktisk kunne flydende vand ikke overleve på overfladen af den røde planet. Ikke som planeten er nu, i hvert fald.
Men det kunne tidligere rumme vand. Hvad skete der?
Mars har kun en tynd atmosfære nu, og den atmosfære er ikke tyk nok til at opretholde vand nu. Så det må have haft en tykkere, varmere atmosfære tidligere. Og den atmosfære kunne kun have bestået, hvis Mars også havde en beskyttende magnetosfære.
Astronomer er ret sikre på, at Mars mistede sin magnetosfære for omkring 4 milliarder år siden. Og uden en beskyttende magnetosfære, som Jorden har, havde stjernevinden fra Solen fri adgang til Mars og blottede dens atmosfære væk, tabt til rummet for altid.
Og da det skete, var Mars dødsdømt. Vandet og atmosfæren forsvandt, og Mars blev kold og tør.
Jordens magnetosfære er skabt af en dynamo i planetens kerne; en roterende og konvektiv klump af smeltet jern og nikkel. Mars må også have haft en. Det er den eneste måde, den kunne have genereret en beskyttende magnetosfære for at skærme den mod Solen. Men Mars er mindre end Jorden, og efter dens dannelse afkølede planeten hurtigere, end Jorden gjorde. Når den først var afkølet, mistede den sin kernejern/nikkeldynamo, derefter sin atmosfære og derefter sit vand. Stakkels Mars.
Men Mars har stadig et magnetfelt, omend et svagt, og NASAs MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) rumfartøjer har kortlagt det. I stedet for et globalt dynamomagnetfelt som Jordens, har Mars nu et induceret magnetosfære .
Et billede fra en animation af Mars' magnetfelt, der interagerer med stjernevinden. Mens Jorden har en beskyttende global dynamomagnetosfære, er Mars en meget svagere induceret magnetosfære. Billedkredit: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS
MAVEN ankom til Mars og gik i kredsløb om planeten i september 2014. Fem års data fra missionen har ført til et nyt kort over Mars' svage magnetfelt. Forskere bruger dette kort til at hjælpe med at forstå Mars historie, og hvordan den mistede sin atmosfære.
Et nyt papir præsenterer disse resultater i tidsskriftet Nature Astronomy. Avisen har titlen ' De globale strømsystemer i den Mars-inducerede magnetosfære .' Hovedforfatteren er Robin Ramstad fra University of Colorado, Boulder.
'Disse strømme spiller en fundamental rolle i det atmosfæriske tab, der forvandlede Mars fra en verden, der kunne have understøttet liv til en ugæstfri ørken,' sagde hovedforfatter Ramstad i en pressemeddelelse . 'Vi arbejder i øjeblikket på at bruge strømmene til at bestemme den præcise mængde energi, der trækkes fra solvinden og driver den atmosfæriske flugt.'
Mars-induceret magnetisk har en anden årsag end en, der er skabt af en dynamo i en planets centrum. Det er forårsaget af elektromagnetisk interaktion mellem solvinden, som er et magnetiseret strømmende plasma, og selve den ikke-magnetiserede planet. Strømmene produceret af denne interaktion giver ledetråde 'til solvindens rolle i at drive opvarmning, flugt og udvikling af planetariske atmosfærer,' ifølge forfatterne af papiret.
Jordens magnetfelt er ret godt forstået og er blevet undersøgt i årtier. Men inducerede felter som Mars er det ikke. Denne femårige undersøgelse af MAVEN er den mest dybdegående undersøgelse endnu.
Magnetiske arkiverede linjer på Mars, venstre, vs Jorden, højre. Det er tydeligt, hvilket magnetfelt der beskytter sin planet bedre. Billedkredit: L: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS. Til højre: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1712490
Solvinden er en strøm af ladede partikler, der slår ind i alt omkring Solen med næsten en million miles i timen eller 1,6 millioner kilometer i timen. Det interagerer med alt i solsystemet. Selve vinden er magnetiseret, så den har faktisk svært ved at trænge ind i den øvre atmosfære på ikke-magnetiseret Mars. I stedet skaber det strømme i ionosfæren. Det styrker faktisk det magnetiske felt, hvilket producerer den inducerede magnetosfære. Det er først nu, takket være denne undersøgelse, at forskerne forstår, hvordan alt dette fungerer.
Når ionerne og elektronerne i solvinden kolliderer med dette inducerede magnetfelt, er nogle af ionerne rettet til at strømme én vej, og nogle af elektronerne er rettet den modsatte vej. Det danner elektriske strømme, og de rejser rundt på planeten, fra dag til nat.
Samtidig rammer røntgen- og ultraviolet stråling fra Solen Mars' øvre atmosfære og ioniserer noget af den konstant. Det gør noget af den øvre atmosfære til elektroner og elektrisk ladede ioner, der leder elektricitet.
Et billede fra papiret, der viser de formative strømsystemer i den Mars-inducerede magnetosfære. Generatorstrømme er farvet blå, mens belastningsstrømme er farvet røde. Billedkredit: Ramstad et al., 2020.
Hovedforfatter Ramstad beskriver det sådan: 'Mars atmosfære opfører sig lidt som en metalkugle, der lukker et elektrisk kredsløb. Strømmene flyder i den øvre atmosfære, hvor de stærkeste strømlag vedvarer 120-200 kilometer (ca. 75-125 miles) over planetens overflade.'
MAVEN og andre missioner har før set lokaliserede hints om disse nuværende lag. Men det er først nu, efter fem år, at forskerne har været i stand til at kortlægge hele kredsløbet, fra dets generering i solvinden, til hvor den elektriske energi er aflejret i den øvre atmosfære.
Dette billede er fra en videnskabelig visualisering af de elektriske strømme omkring Mars. Elektriske strømme (blå og røde pile) omslutter Mars i en indlejret, dobbeltsløjfestruktur, der slynger sig kontinuerligt rundt om planeten fra dens dagside til dens natside. Disse strømsløjfer forvrænger solvindens magnetfelt (ikke afbilledet), som drapererer rundt om Mars for at skabe en induceret magnetosfære omkring planeten. I processen forbinder strømmene Mars' øvre atmosfære og den inducerede magnetosfære elektrisk til solvinden, og overfører elektrisk og magnetisk energi genereret ved grænsen af den inducerede magnetosfære (svag indre paraboloid) og ved solvindens buestød (svag ydre paraboloide) ). Kreditering: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr
Det er ekstraordinært svært at 'se' disse elektriske strømme i rummet. Men et af MAVENs instrumenter er et følsomt magnetometer. Selvom den ikke kan se de elektriske strømme, har den skabt et 3D-kort over magnetiske feltlinjer omkring Mars. Forskere var derefter i stand til at kortlægge strømmene på forvrængningerne i feltlinjerne.
'Med en enkelt elegant operation dukker strømmenes styrke og veje ud af dette kort over magnetfeltet,' sagde Ramstad.
Resultatet er en mere detaljeret forståelse af, præcis hvordan Solen fratog Mars sin atmosfære. Da det globale dynamomagnetfelt var væk, dannede solvinden en direkte forbindelse til Mars' øvre atmosfære og skabte elektriske strømme. Disse strømme drev derefter ladede partikler i atmosfæren ud i rummet.
Forfatterne af papiret siger, at andre planeter uden magnetosfærer sandsynligvis har de samme inducerede felter, i det mindste på et topniveau.
Venus har et induceret magnetfelt ligesom Mars, selvom vores viden om det ikke er så detaljeret som vores viden om Mars. Forfatterne af denne undersøgelse siger, at det er sandsynligt, at de ligner hinanden, i det mindste i brede vendinger. Billedkredit: Af Venusian_magnetosphere.jpg: Ruslik0-afledt arbejde: Alexparent (talk) – Venusian_magnetosphere.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6435191
'De nuværende systemer i den Mars-inducerede magnetosfære er overvejende drevet af et magnetosfærisk konvektivt elektrisk felt,' skriver forfatterne. 'Disse resultater repræsenterer den typiske konfiguration på Mars og repræsenterer, i første orden, sandsynligvis også konvektionsdrevne inducerede magnetosfærer generelt. Denne konfiguration er dog ikke den eneste mulige konfiguration for inducerede magnetosfærer.'
Denne proces med atmosfærisk tab begyndte engang omkring 4 milliarder år siden, da Mars mistede sit magnetfelt. Og det sker stadig i dag.
Mere:
- Pressemeddelelse: MAVEN kortlægger elektriske strømme omkring Mars, der er grundlæggende for atmosfærisk tab
- Forskningsartikel: De globale strømsystemer i den Mars-inducerede magnetosfære
- Universet i dag: Hvornår mistede Mars sit globale magnetfelt?