Puhdas napajää paljastaa Marsin ilmaston historian

Kuvittele seisovasi Marsin vaalean kraaterin reunalla ja katsovasi alas kerroksiin niin puhtaaseen jäähän, että ne toimisivat kuin geologinen muistikirja. Valo leikkii pinnalla oudosti. Varjot asettuvat kohtiin, joissa pöly on ohutta. Kirkkaat, lähes koskemattomat laattamaiset kerrokset vuorottelevat ohuempien, tummempien saumojen kanssa. Se, mikä näyttää jäätyneeltä voileivältä, paljastuukin Marttiinin ilmaston kerrostuneeksi arkistoksi, kirjoitettuna veteen ja hiekkaan.

Kun Marsin kallistuma muuttaa ilmastoa

Maapallon akseli pysyy vakaana, koska suuri kuu stabiloi sen kallistusta. Marsilla on vain kaksi pientä kuuta. Ilman raskasta vakauttajaa Mars horjuu. Akselinsa heilahdukset ulottuvat kulmiin, jotka kymmenien tuhansien tai miljoonien vuosien aikana aiheuttavat dramaattisia ilmastovaihteluita. Jäätä kasautuu. Jäätä vetäytyy. Pöly ajelehtii ja laskeutuu. Lopputuloksena on napainen alue, joka on kerrostunut matalista jääkerroksista ja joka yhdessä peittää suunnilleen kolmanneksen planeetasta.

Nuo kerrokset ovat enemmän kuin pinnan koristusta. Ne ovat kronologinen arkisto, Marsin vastine puun vuosirenkiin tai syviin jääkairauksiin Maassa. Meillä ilmastotutkijat poraavat kilometrejä etelänavan jäähän lukemaan menneitä ilmakehiä ja lämpötilavaihteluita. Marsissa vastaavien näytteiden fysikaalinen ottaminen on paljon vaikeampaa. Laskeutuminen navoille on tekninen haaste. Phoenix-laskeutuja tutki pohjoisen jäätä vuonna 2008, ja aiemmat yritykset, kuten Mars Polar Lander -laskeutuja, epäonnistuivat. Joten toistaiseksi kiertorata- ja laskeutujamittaukset ovat ensisijaiset tavat lukea, mitä jäällä on kerrottavanaan.

Oletusten uudelleenkäsittely muuttaa kuvan

Kuinka likainen tuo jää on? Vastaus on merkityksellinen. Pienetkin määrät pölyä voivat tummentaa pintaa, muuttaa jäältä heijastuvan auringonvalon määrää ja nopeuttaa lämpiämistä ja sublimaatiota. Vuosien ajan napajäähän sekoittuvan pölyn arviot vaihtelivat suuresti. Jotkin mallit viittasivat siihen, että päällyskerrokset voisivat olla massaltaan jopa neljänneksen pölyä. Se tekisi napa-alueesta paljon tummemman ja alttiimman kausittaisille menetyksille.

Mutta tuore tarkastelu ongelmaan, jota johti Washingtonin yliopiston tutkijat, ehdottaa hyvin erilaista kertomusta. Tiimi havaitsi, että laajalti käytetty analyysitekniikka, alun perin kehitetty Kuuta varten, voi vääristää tapaa, jolla valo vuorovaikuttaa Marsin jään kanssa. Sen sijaan, että nojattaisiin kuun maamalleihin, tutkijat sovelsivat menetelmiä, joita on pitkään käytetty lumen ja firnin tutkimiseen Maassa. Tuloksena: pohjoisen napajään pintakerrokset näyttäisivät paljon puhtaammilta kuin monet aiemmat arviot antoivat ymmärtää. Se, mitä oli arvioitu ehkä 25 prosentin pölyksi, on todennäköisemmin lähempänä 3 prosenttia massasta.

Tällä on kaksi merkitystä. Ensinnäkin puhtaampi jää heijastaa enemmän auringonvaloa ja on siksi vakaampi. Toiseksi pölyn ja jään järjestäytyminen sisältää itse asiassa tietoa. Tutkijat havaitsivat kirkkauden muutoksia Martiin kausien aikana, jotka viittaavat kerrostuneeseen rakenteeseen. Melko pölyinen huurre muodostuu pinnalle joka talvi. Kesällä tuo kausittainen kerros sublimoituu, paljastaen vanhempaa, kirkkaampaa jäätä alla. Poikkileikkauksessa kerrostumat pinoutuvat kuin kerroksellinen jälkiruoka, likaisemmat vyöhykkeet puristettuina puhtaampien laattojen väliin.

Kuvio vertaa pölypitoisuutta samalla paikalla. Sol 28 (marsin päivä) tutkimus raportoi pölypitoisuudeksi 0,04%. Pölypitoisuus nousi 58 solin jälkeen 0,45%. 

Miksi ero on merkityksellinen ilmastolle ja asumiskelpoisuudelle

Relatiivisesti puhtaat jääkerrokset, joita katkaisevat ohuet pölysaumat, ovat enemmän kuin geologisia kuriositeetteja. Ne ovat potentiaalisia aikakapseleita. Jos nuo puhtaammat laatat kasaantuivat lumisateiden aikana Marsin akselikallistuksen eri vaiheissa, niin jokainen hautautunut levy säilyttää aikakautensa ilmakehän sormenjäljen. Kerrosten väliin jäänyt pöly tallentaa tuulisuutta sekä vulkaanisia tai törmäystapahtumia. Jäähän sulkeutuneet kaasut voisivat antaa vihjeitä muinaisesta ilman koostumuksesta.

On myös provosoivampi seuraus. Pöly voi toimia aurinkolämmittimen tavoin. Tummemmat kerrokset absorboivat auringonvaloa ja muuttavat sitä lämmöksi, mahdollistaen mikroympäristöjä, joissa jää sulaa läviksi tai jopa muodostuu hetkellisiä nestemäisen veden kaltaisia kalvoja. Maassa matalat sulamisaltaat jääisissä, pölyisissä järjestelmissä voivat tukea mikrobielämää lämpiminä vuodenaikoina. Jos vastaavia ohimeneviä sulamisalueita olisi ollut Marsin pölysaumojen alla, ne muuttaisivat tutkijoiden käsitystä planeetan pintakerroksen asumiskelpoisuudesta, ainakin ajoittain.

Tuo mahdollisuus on ajanut aiempaa teoreettista työtä samalta ryhmältä, joka ehdotti, että pölykerrokset voisivat keskittää lämpöä tarpeeksi paikalliseen sulamiseen. Puhtaampi jää saumojen ympärillä toimisi sitten varastona. Sellaisten sulamistapahtumien esiintyminen tai puuttuminen on merkityksellistä astrobiologialle sekä tuleville operaatioille, jotka suunnittelevat paikallista resurssien hyödyntämistä ja mahdollisia porauskohteita.

Kuinka menetelmät yhdistyivät

Uudet arviot perustuvat yhdistelmään kiertokuvausta, spektritietoja ja Phoenix-laskeutujan havaintoja. Kriittinen askel oli tunnistaa, että Kuuta varten todistetut tekniikat eivät sovi siististi Marsin napajäähän. Steve Warren, Washingtonin yliopiston emeritusprofessori, jolla on vuosikymmenten kokemus lumen optiikasta, tarjosi analyyttisiä lähestymistapoja, jotka sopivat paremmin kerrostuneelle, matalan tiheyden jäälle. Tohtorikoulutettava Pari Mohan ja tutkimustieteilijä Aditya Khuller sovittivat nuo työkalut uudelleen arvioidakseen mittaukset. Tuloksena on yksinkertaisempi ja ehkä realistisempi kuva siitä, kuinka paljon pölyä pohjoiseen napakiekkoon todellisuudessa sekoittuu.

Paremmat luvut auttavat hienosäätämään sublimaation, deposiiton ja napakiekkojen pitkän aikavälin evoluution malleja. Ne myös vaikuttavat siihen, mistä tutkijat saattaisivat etsiä ensiksi säilyneitä biosignatuureja tai helposti saavutettavaa jäätä ihmisille suunniteltuja tutkimuksia varten. Jos päällyskerrokset ovat puhtaampia ja heijastavampia, lämmöstä johtuvat menetykset ajan mittaan ovat pienempiä ja hautautuneet kerrokset voivat olla paremmin säilyneitä kuin aiemmin oletettiin.

Asiantuntijan näkökulma

"Puhtaamman jään löytyminen muuttaa odotuksiamme naparekisteristä", sanoo tohtori Elena Marquez, planeettageofyysikko, joka on työskennellyt tutkien jääkehojen tutkaäänityksiä. "Se ei tarkoita, että Mars olisi lämmin ja märkä kuten Maa. Se tarkoittaa, että arkisto voi olla paremmin säilynyt, ja se antaa meille selvemmän kohteen tuleville näytteenotoille. Kontrasti pölysaumojen ja puhtaiden laattojen välillä on juuri sellainen signaali, jota haluamme etsiessämme menneitä ilmastoja."

"Jos pölyinen kerros voi tuottaa lyhytaikaista sulamista, se olisi paikallista ja ohimenevää, ei pysyvä meri", hän lisää. "Mutta mikrobeille paikallisuus on joskus riittävä edellytys."

Johtopäätös

Oletusten uusintakäsittely maassa harjoitelluilla työkaluilla on tuottanut merkittävän korjauksen näkemykseemme Marsin napajäästä. Puhdistuneet pintakerrokset tekevät pohjoisnavasta luotettavamman menneen ilmaston arkiston ja muuttavat hieman todennäköisyyksiä väliaikaisille nestemäisille olosuhteille. Työ havainnollistaa perusoppia planeettatieteessä: menetelmillä on väliä. Maan testatut tekniikat sopeutettuna vieraaseen ympäristöön voivat tuottaa yllätyksiä, ja nämä yllätykset muuttavat sitä, mihin suuntaamme seuraavat tehtävämme, instrumentit ja hypoteesit.

Kun tutkijat soveltavat tätä parannettua analyysiä myös muihin napa- ja keskileveysasteiden jääkerrostumiin, saamme terävämmän aikajanan Marsin ilmastovaihteluista. Tämä aikajana kertoo tarinan planeetasta, joka huojuu näyttävästi avaruudessa, kirjoittaen ja pyyhkien jääistä arkistoaan vuorotellen. Tutkijoille, jotka etsivät vihjeitä asumiskelpoisuudesta ja ilmaston kehityksestä, puhtaampi jää on kutsu lukea tarkemmin.