Arsia Monsin aamupilvi paljastaa Marsin ilmakehästä

Jokainen Marsin aamu Arsia Monsin rinteeltä avautuu haamuinen valkoinen nauha, joka sitten katoaa. Se voi ulottua lähes 1 800 kilometrin mittaiseksi, pidempi kuin monet valtiot, mutta se elää vain tunteja ennen kuin aurinko hajottaa sen. Miksi se muodostuu, ja miten niin hauras ilmiö voi toistua niin luotettavasti?

Tätä ilmiötä tutkijat ovat pitkään kutsuneet Arsia Monsin pitkittäiseksi pilveksi, eli AMECiksi. Se on orografinen pilvi: tuuli osuu tulivuoren valtaviin rinteisiin, ilma pakotetaan ylös ja tiivistyminen seuraa. Mutta kun tutkijat yrittivät toistaa pilveä tavallisilla ilmakehän fysiikan malleilla, simulaatiot eivät riittäneet. ESA:n Mars Expressin kuvat eivät yksinkertaisesti sopineet mallien kanssa.

Kuva Arsia Monsin pitkittäisestä pilvestä Euroopan avaruusjärjestön Mars Express -luotaimesta. 

Jokin oli muututtava. Läpimurto tapahtui, kun mallintajat sallivat kokeilussa harvemmin käytetyn mutta todellisen pilvenmuodostustavan: homogeenisen nukleaatio. Sen sijaan, että vesihöyry löytäisi pölyhiukkasen tai pisaran ja rakentaisi jään sen ympärille, höyry muuttuu suoraan jääkideiksi ilman välivaihetta. Ei pölysiemeniä. Ei välikerrosta. Puhtaan jään ilmaantuminen tyhjästä. Tämä on käyttäytymismalli, jonka fysiikan oppikirjat mainitsevat mahdolliseksi, mutta jota planeettojen ilmakehät eivät olleet käytännössä aiemmin osoittaneet.

Miten Mars sen tekee? Respti kuulostaa epätodennäköiseltä yhdistelmältä: 20 kilometrin korkuinen tulivuori, ohut ilmakehä ja tuulesta ajettu aalto, joka voi nostaa kostean ilman hiukkasia useiden kilometrien korkeuteen minuuteissa. Kun ilma kohoaa, lämpötila romahtaa noin 30 astetta kymmenessä minuutissa simulaatioissa, ja suhteellinen kosteus nousee jyrkästi. Näissä äärimmäisissä oloissa homogeeninen nukleaatio on mahdollista. AMEC syntyy aallon harjalle ja katoaa, kun aalto laantuu.

Nämä ideat eivät olleet hatusta vedettyjä. Mars Express havaitsi pitkänauhan ensi kerran vuonna 2018 ja on palannut sen pariin toistuvasti. Tutkijat yhdistivät vuosien ajan kerätyt kuvat luotaimen Visuaalisesta seurantakamerasta (VMC), Korkean resoluution stereokamerasta (HRSC) ja OMEGA-instrumentista uuteen meteorologiseen mallinnukseen. Mars Expressin ainutlaatuinen kyky kuvata planeettaa aamun paikallisina aikoina osoittautui ratkaisevaksi; pilvi on Marsissa vain aamiaisaikaan esiintyvä ilmiö.

Kuva Marsista Euroopan avaruusjärjestön Mars Express -luotaimen Visuaalisen seurantakameran (VMC) ottamana 10. lokakuuta 2018.

Malli piti sisällään fysiikkaa, jonka monet planeettamallit yleensä käsittelevät teoreettisena tai merkityksettömänä. Kun nämä prosessit annettiin vaikuttaa, simulaatiot tuottivat pilven, jolla oli monia samoja piirteitä kuin kiertoradalta havaitulla nauhalla. Kaikki yksityiskohdat eivät vielä täsmää; jotkin ristiriitaisuudet säilyvät, mutta yhteensopivuus on nyt paljon parempi kuin ennen. Tämä tarkoittaa, että Mars voi ainakin väliaikaisesti saavuttaa kosteusolosuhteita, jotka ovat paljon erilaisia kuin Maan tavallisesti havaitsemat.

Tämä löytö avaa laajemman mahdollisuuden. Jos arkijärkinen sääntö 'pilvet tarvitsevat pölyä' voi epäonnistua Marsissa, mitä muuta erilaiset ilmakehät voivat tehdä oudommissa olosuhteissa? Eksoplaneettojen tutkijoiden on syytä huomioida: ilmakehät, jotka näyttävät noudattavan Maan sääntöjä, saattavat silti yllättää, kun lämpötila, paine ja kemia työntävät prosesseja eksoottisiin oloihin.

Arsia Monsin aamupilvi ei ole pelkkä paikallinen erikoisuus; se muistuttaa, että planeettojen sää voi rikkoa oletuksiamme ja että huolellinen havainnointi sekä rohkea mallintaminen pystyvät silti paljastamaan odottamattomat ilmiöt.