Mysterium hur luft och vatten försvann

Mars är en kall öken, men så har det inte alltid varit. Rymdfysikern Mats Holmström har under många år studerat partiklar som lämnar Mars atmosfär, för att ta reda på vad som hänt med luften och vattnet.

När planeten Mars var ung täcktes den av hav och floder. Den hade ett vädersystem med snö och regn som drevs av växthuseffekten i den då mycket tjockare atmosfären. För omkring 3,3 miljarder år sedan förändrades allt och Mars förvandlades till den kalla ökenplanet vi känner i dag. Hur detta gick till är fortfarande en gåta.

– Den viktigaste frågan är vart vattnet tog vägen – ner i berggrunden eller ut i rymden, säger Mats Holmström på Institutet för rymdfysik.

Han ansvarar för ett instrument ombord på satelliten Mars Express, som har kretsat kring Mars sedan 2003 och som mäter hur solvinden påverkar den övre delen av atmosfären. Det är ett sätt att ta reda på hur partiklar lämnar det som återstår av Mars atmosfär i dag, och med hjälp av den kunskapen lista ut vad som har hänt tidigare i planetens historia.

Det vatten som en gång fanns på planetens yta har försvunnit. En del av det finns kvar som is under markytan, men en okänd andel har försvunnit på samma sätt som planetens luft.

När det fanns oceaner på Mars ingick vattnet i ett kretslopp, precis som på jorden. Vatten som avdunstade blev till vattenånga i atmosfären, men allt regnade inte ned igen. De vattenmolekyler som nådde högt upp i atmosfären kunde slås sönder till syre och väte av joniserande strålning. Syre och väte är lätta atomer som lättare än tyngre ämnen kan försvinna ut i rymden. Processerna som nöter på atmosfären pågår ännu i dag.

En förklaring till Mars brist på atmosfär som ofta framförs, bygger på att planeten, till skillnad från jorden, inte skyddas av något magnetfält. Tanken är att utan magnetfält kan solvinden komma åt atmosfärens övre delar och erodera bort gaserna därifrån. Mats Holmström och hans kolleger har dock kommit fram till att det inte är riktigt så enkelt. Solvinden för nämligen med sig ett inbäddat magnetfält som orsakar elektriska strömmar i de översta skikten av den marsianska atmosfären. Strömmarna ger i sin tur upphov till en skyddande magnetisk bubbla som stöter bort solvinden. Det verkar alltså som om andra förklaringar måste till.

Mats Holmström påpekar att hans instrument har mätserier ända sedan 2003. Att kunna mäta under lång tid är viktigt för att se vad som händer under olika typer av förhållanden. Solvinden varierar nämligen med solens aktivitet under en solfläckscykel, som tar ungefär elva år. Det kan jämföras med den högre aktiviteten som solen antagligen hade i sin ungdom, att döma av hur andra stjärnor av samma typ uppför sig.

– Rymdmiljön vid Mars under stora solutbrott kanske liknar de tidiga förhållandena, säger Mats Holmström.

Mätresultaten tyder på att det, tvärtemot vad man skulle kunna tro, snarare är färre partiklar som försvinner från atmosfären när solvinden är extra stark.

– Men det finns en stor osäkerhet – en del andra mätningar motsäger detta. Det är alltså inte helt klarlagt, säger Mats Holmström.

Han och hans kolleger har undersökt en mekanism där elektroner slås bort från atomer och molekyler av solljuset, och de laddade partiklarna sveps bort med solvinden. De kom fram till att den mekanismen inte ens under flera miljarder år har kunnat föra bort mer än en liten del av Mars ursprungliga atmosfär. Det måste då vara någon annan process som har tömt Mars på luft och vatten.

Snart kommer Mars Express med Mats Holmströms instrument att få sällskap av en kinesisk satellit med ett liknande instrument. Tianwen-1 som sänds iväg i sommar består av en robot som ska landa på ytan och en kretsare som bland annat ska mäta partiklar. Institutet för rymdfysik samarbetar redan med Kina och har byggt instrumentet Asan som finns på den kinesiska månlandaren Chang’e. De har också kontakt med den kinesiska gruppen bakom instrumentet på Tianwen-1. Mats Holmström vet inte om de kommer att få ta del av kinesernas data, men det kan bli intressant att lägga ihop mätningarna.

– Med flera liknande instrument kring Mars kan man göra samtidiga mätningar i olika regioner.

En liten bit i taget pusslar forskare ihop Mars historia. Många gåtor återstår fortfarande, men vi kommer att få många nya ledtrådar under de kommande åren.

HIT SKA VI! Se de olika Marsfarkosternas landningsplatser på s 38.

sänds i år Tianwen-1, som består av en satellit som ska kretsa kring Mars och en strövare (robotbil) som ska utforska ytan. Målet är att söka efter tecken på mikroskopiskt liv och samtidigt samla mer kunskap om planeten och dess miljö.

En ny rymdnation som siktar på Mars är Förenade Arabemiraten. Förra året reste landets första astronaut, Hazza Al Mansouri, till den internationella rymdstationen ISS samtidigt som den amerikansk-svenska astronauten Jessica Meir. I samarbete med amerikanska rymdföretag och den japanska rymdstyrelsen Jaxa har Förenade Arabemiraten nu också byggt sin första Mars-sond. Farkosten al-Amal, ”Hopp”, är en vädersatellit som ska sändas upp med en japansk raket och sedan kretsa kring Mars för att observera förhållandena i atmosfären.

I omloppsbana kring Mars finns sedan tidigare flera amerikanska satelliter, de europeiska ExoMars TGO och Mars Express, och Indiens Mars orbiter mission.

USA följer upp sin serie av framgångsrika Marsströvare med ännu en, vid namn Perseverance. En finess är att den åtföljs av en liten helikopter, som ska kunna sondera terrängen för att hjälpa Perseverance att välja väg över planetytan. Perseverance ska söka efter förhållanden där liv kan ha funnits tidigare i planetens historia.

Både den amerikanska och den kinesiska strövaren kommer att samla in material som är tänkt att hämtas hem till jorden med framtida farkoster, om kanske tio år.

Ända fram till i början av mars var planen att även det europeiska forskningsprogrammet Exomars skulle sända iväg en farkost i sommar, med marsbilen Rosalind Franklin och den stationära plattformen Kazachok. På plattformen finns ett svenskbyggt instrument från Luleå tekniska universitet, Habit, som ska utforska möjligheterna att utvinna vatten på Mars yta (se F&F 1/2017).

Men efter problem med tester av fallskärmarna blev tidsplanen pressad. Samtidigt kom pandemin med det nya coronaviruset som gjorde det svårt för de inblandade att resa och hinna få allt klart. Därför kom den europeiska rymdstyrelsen Esa och ryska Roscosmos överens om att fördröja uppdraget till nästa uppskjutningsfönster år 2022.

I skrivande stund verkar dock planerna för de övriga tre projekten gå framåt som planerat.