Nové důkazy o vlivu nedávné celoplanetární prachové bouře na vodu v atmosféře Marsu a překvapivá absence metanu – to jsou dva ze tří hlavních pilířů objevů, které evropsko-ruská sonda TGO (Trace Gas Orbiter) učinila během prvního roku své vědecké fáze. Dvě studie zveřejněné ve specializovaném časopise Nature byly prezentovány i na tiskové konferenci ve Vídni na zasedání Evropské geofyzikální unie. Třetí studie pak pochází z ruské části projektu a může se pochlubit tím, že jde o dosud nejdetailnější mapu rozložení vodního ledu nebo vodou nasycených podpovrchových minerálů na Marsu v celé historii. V tomto článku se na všechny nové poznatky podíváme podrobněji – opět se ukázalo, že i když je Mars nejprozkoumanější planetou vůbec (hned po Zemi samozřejmě), tak nás stále dokáže něčím překvapit.

Sonda TGO, která je součástí mise ExoMars 2016, dorazila k Rudé planetě v říjnu 2016 a další více než rok pak strávila aerobrakingem, tedy procesem, kdy v nejnižším bodě dráhy třela o horní vrstvy atmosféry, čímž upravovala svou dráhu, aniž by spotřebovávala pohonné látky. Nakonec se dostala na oběžnou dráhu ve výšce 400 kilometrů, na které trvá jeden oběh Marsu dvě hodiny.

„Jsme potěšeni prvními výsledky z TGO,“ říká Håkan Svedhem, hlavní vědecký pracovník sondy TGO a dodává: „Naše přístroje fungují mimořádně dobře a dokonce už v prvních měsících služby nám poskytovaly úžasné výsledky s mnohem vyšší úrovní kvality než kdy dříve.“ Samotná vědecká fáze sondy TGO začala na konci dubna 2018, což bylo jen několik měsíců před začátkem globální prachové bouře, která bohužel ukončila provoz amerického roveru Opportunity. Sonda na oběžné dráze nebyla bouří nijak ovlivněna – naopak získala díky ní unikátní možnost k výzkumu. Mohla tak sledovat vývoj celé bouře a monitorovat vzestup koncentrace vodní páry v atmosféře, což je důležitý poznatek pro lepší porozumění historii vody na Marsu v průběhu času.

Dva palubní spektrometry – NOMAD a ACS se postaraly o první měření atmosféry při slunečním zákrytu ve vysokém rozlišení. Senzory zaznamenaly, jak jsou sluneční paprsky absorbovány v atmosféře – jelikož každá látka má charakteristické vlastnosti absorpce světla, bylo možné tímto pozorováním odhalit doslova otisky prstů těchto látek, které dokazují jejich přítomnost. Vědci tak získali možnost změřit v jednotlivých výškových vrstvách koncentrace klasické vodní páry a pak i „polotěžké“ vody. V její molekule je jeden atom klasického vodíku nahrazen atomem deuteria, tedy těžkého vodíku, které má v jádru kromě protonu i jeden neutron.

Přístroje pracovaly spolehlivě a umožnily provádět měření od povrchových vrstev až do výšky více než 80 kilometrů. Nově získané výsledky dávají do souvislosti vliv prachu v atmosféře Marsu na vodu a ukazují, že je zde i souvislost s únikem atomů vodíku do kosmického prostoru. „V severních oblastech jsme zaznamenali útvary jako jsou prašné oblaky ve výškách kolem 25 – 40 kilometrů, které tam nikdy dříve nebyly. V jižních oblastech planety jsme zase viděli vrstvy prachu, které se přesouvají do větších výšek,“ vyjmenovává nové poznatky Ann Carine Vandaele, hlavní vědecká pracovnice přístroje NOMAD z Královského belgického institutu pro kosmické vědy a dodává: „K navýšení množství vodní páry v atmosféře došlo překvapivě rychle. Bylo to jen během několika dní při nástupu bouře, což naznačuje rychlou reakci atmosféry na prašnou bouři.“

Pozorování jsou ve shodě s globálními modely cirkulace atmosféry. Prach pohlcuje sluneční záření, čímž se okolní plyn ohřívá a díky tomu se rozpíná. To způsobuje, že se další látky – včetně vody – rozprostřou na mnohem větším vertikálním prostoru. Dochází i k větším rozdílům teplot mezi rovníkovými a polárními oblastmi, což posiluje atmosférickou cirkulaci. Současně také díky vyšším teplotám vzniká méně mraků s vodním ledem – ty běžně uchovávají vodu v nižších výškách.

Vědecké týmy také učinily první pozorování polotěžké vody současně s klasickou vodou. Díky tomu se podařilo získat důležité informace k lepšímu porozumění procesu, který ovlivňuje množství atomů vodíku a deuteria unikajících do kosmického prostoru. Ze získaných dat je také možné získat poměr množství deuteria vůči vodíku, což je důležitý parametr pro studium vývoje vody na Marsu. „Ukazuje se, že voda (Ať už s deuteriem nebo bez něj) je velmi citlivá na přítomnost ledových mraků, které jí brání v tom, aby se dostala do vyšších vrstev atmosféry. Během bouře se tak mohla pára dostat mnohem výše,“ upozorňuje Ann Carine Vandaele a dodává: „Tento jev byl teoreticky předpovídán počítačovými modely už dlouho, ale tohle je první případ, kdy jsme byli schopni jej pozorovat.“ Samotný poměr deuteria vůči vodíku by se pak měl podle odhadů měnit v závislosti na ročním období a na „marsopisné“ šířce. Sonda TGO tedy bude i nadále pokračovat v analýze tohoto jevu.

Voda v atmosféře Marsu však není jediným zajímavým objevem. Palubní přístroje na TGO začaly v loňském roce měřit přítomnost málo zastoupených látek v atmosféře. Tyto látky, souhrnně označované jako trace gases (stopové plyny), tvoří dohromady méně než jedno procento objemu atmosféry Marsu, takže k jejich změření potřebujeme vysoce přesné měřící techniky, které dokáží odhalit jejich stopy. Koncentrace těchto látek se většinou měří v počtu molekul dané látky na miliardu celkového počtu podle objemu – k čemuž se používá jednotka ppbv (parts per billion by volume). Kupříkladu v pozemské atmosféře je koncentrace metanu 1800 ppbv, což znamená, že na každou miliardu molekul v zemské atmosféře připadá 1800 molekul metanových.

Nejjednodušší uhlovodík má v očích vědců, kteří studují Mars, mimořádný význam. Může totiž být důkazem přítomnosti života, ale i zajímavých geologických procesů. Například na Zemi je 95 % tohoto plynu v atmosféře produktem biologických procesů. Jelikož se tento plyn v atmosféře během několika stovek let rozkládá působením slunečního záření, pak jakákoliv jeho detekce musí být spojena s uvolněním těchto molekul v nedávné minulosti. Ale pozor – není to důkaz doby vzniku tohoto plynu. Metan mohl vzniknout klidně před miliony či miliardami let, ale pokud byl zachycen v podpovrchových dutinách, nemohl být rozložen vlivem záření. Teprve až když vlivem vnějších vlivů dojde k narušení těchto dutin, může se plyn uvolnit a v tu chvíli se začíná počítat jeho omezená životnost.

Plyny v nízkých vrstvách atmosféry se navíc pravidelně promíchávají vlivem proudění marsovského větru. Cirkulační modely ukazují, že uvolněný metan by se během několika měsíců dokázal rovnoměrně rozptýlit po celé planetě. Objevy metanu v atmosféře Marsu jsou vždy intenzivně probíranými tématy, protože k nim dochází velmi sporadicky a na malém prostoru. Vlivem promíchávání atmosféry pak velmi rychle koncentrace tohoto plynu spadnou pod rozlišovací schopnost vědeckých přístrojů. Jedno z prvních měření si v roce 2004 připsala evropská sonda Mars Express, která tehdy naměřila metan s koncentrací 10 ppbv.

Pozemní teleskopy se různými metodami dostaly až na koncentrace kolem 45 ppbv, zatímco americké vozítko Curiosity, které se od roku 2012 pohybuje v kráteru Gale, prokázalo, že úroveň koncentrace metanu kolísá podle ročního období mezi 0,2 a 0,7 ppbv s občasnými výstřely do vyšších hodnot. A když se vrátíme k sondě Mars Express, tak ta pouhý den poté, co Curiosity zaznamenala jednu z historicky největších koncentrací metanu, detekovala tento plyn také.

Nová data z TGO nám přinesla doposud nejdetailnější globální analýzu, ale její výsledky jsou hodně překvapivé. Horní limit koncentrace je totiž pouze 0,05 ppbv, což je 10 – 100 × méně, než v případě dřívějších pozorování. Nejpřesnější detekce 0,012 ppbv byla zaznamenána ve výšce 3 kilometry. Horní limit 0,05 ppbv odpovídá 500 tunám metanu uvolněným během 300 let dlouhé předpokládané životnosti. Toto množství by pak bylo rovnoměrně rozptýleno po celé atmosféře, ale pořád je to extrémně málo.

„Máme data s vysokou přesností, která ukazují signály přítomnosti vody v rozmezích, kde bychom čekali metan. Ale zatím můžeme jen oznámit velmi skromné horní limity, které naznačují globální absenci metanu,“ říká Oleg Korablev, hlavní vědecký pracovník přístroje ACS z Kosmického výzkumného institutu při Ruské akademii věd v Moskvě a dodává: „Vysoce přesná měření z TGO jsou podle všeho v rozporu s dřívějšími detekcemi. Abychom sladili informace z různých datových sad, které by měly odpovídat rychlému přechodu z dříve publikovaných detekcí na velmi nízké úrovně, musíme najít proces, který účinně ničí metan blízko povrchu planety.“

„Otázka přítomnosti metanu a jeho původu už způsobila hodně debat, ale otázka, kde tento plyn končí a jak je možné, že se tak rychle ztrácí, je zajímavá úplně stejně,“ říká Håkan Svedhem a dodává: „Nemáme všechny kousky skládačky, abychom mohli spatřit celý obraz, ale právě proto tu máme TGO. Ta provádí detailní rozbory atmosféry těmi nejlepšími přístroji, jaké máme k dispozici, abychom mohli lépe porozumět tomu, jak aktivní tato planeta je – ať už po geologické nebo biologické stránce.“

Zatímco živá diskuse o metanu na Marsu pokračuje, o jiných věcech se už vědci delší dobu nepřou – dnes už víme, že na Marsu kdysi voda byla a dodnes se tu zachovala ve formě vodního ledu, nebo ve formě hydratovaných materiálů. A když někde byla voda, pak tam mohl být i život. Abychom mohli lépe porozumět historickému rozložení vody na Marsu, nese sonda TGO neutronový detektor FREND, který mapuje rozložení vodíku v povrchových a mělkých podpovrchových vrstvách Rudé planety. Vodík je důkazem přítomnosti vody, v jejíchž molekulách je obsažen. Dokáže prozradit i vodu, která se vsákla několik metrů pod povrch, nebo minerály, které vznikaly za přítomnosti vody.

Aby přístroj splnil své úkoly, musí fungovat jeden marsovský rok, tedy skoro dva roky pozemské. Pak vytvoří kvalitní data pro vytvoření mapy nejvyšší kvality. Ale už první prezentované mapy založené na datech z pouhých pár měsíců dokázaly překonat rozlišení všech dřívějších měření. „Za pouhých 131 dní dokázal tento přístroj vytvořit mapu s rozlišením větším, než co za 16 let provozu zvládl jeho předchůdce na palubně americké sondy Mars Odyssey a očekáváme, že se jeho kvalita bude dále zlepšovat,“ říká Igor Mitrofanov, hlavní vědecký pracovník  přístroje FREND z Kosmického výzkumného institutu při Ruské akademii věd v Moskvě.

Kromě trvale zmrzlých hornin (permafrostu) v okolí polárních oblastí, které jsou bohaté na obsah vody, nám nová mapa poskytuje detailnější lokalizaci „suchých“ a „vlhkých“ oblastí. V datech se dají objevit materiály bohaté na vodu, které se nachází u rovníku. „Nasbírané údaje se neustále vylepšují a jednou možná budeme mít něco, co se stane referenčními daty pro mapování na vodu bohatých minerálů v mělkých vrstvách na Marsu. Bude to nezbytné pro naše chápání celkového vývoje Marsu a toho, kde se jeho voda nyní nachází,“ říká Igor Mitrofanov a dodává: „Je to důležité pro vědecký výzkum Marsu a také pro budoucí výzkum Rudé planety.“

„Už dříve jsme si užívali krásné snímky včetně stereofotek, které pořídila kamera na TGO. Těší nás, že jsme nyní mohli sdílet první výstupy z dat z dalších přístrojů,“ uzavírá Håkan Svedhem a dodává: „Budoucnost je slibná – podílíme se na mnoha fascinujících aspektech výzkumu Marsu – od rozložení podpovrchové vody až po aktivní procesy na povrchu a tajemství spojená s marsovskou atmosférou.“

Zdroje informací:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://www.esa.int/…/ExoMars_Trace_Gas_Orbiter_analyses_the_martian_atmosphere.jpg
http://spaceflight101.com/…/uploads/sites/79/2016/03/Trace_Gas_Orbiter_instruments.jpg
http://www.esa.int/…/First_results_from_ExoMars_Trace_Gas_Orbiter.jpg
http://www.esa.int/…/How_ExoMars_studies_the_atmosphere.jpg
http://www.esa.int/v…/TGO_watches_evolution_of_dust_storm_on_Mars.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/NOMAD2_625.jpg
http://spaceflight101.com/…/79/2016/03/ExoMars2016_TGO_ACS_schematic.jpg
http://www.esa.int/…/How_to_create_and_destroy_methane_on_Mars.jpg
https://www.nasa.gov/images/content/703588main_pia16460-43_946-710.jpg
http://www.esa.int/…/TGO_s_search_for_methane_on_Mars.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/ACS2.jpg
http://www.esa.int/…/Key_methane_measurements_at_Mars.jpg
http://www.esa.int/…/2019/04/dust_devil_detail/19339926-1-eng-GB/Dust_devil_detail.png
http://www.esa.int/…/TGO_s_first_map_of_shallow_subsurface_water_distribution_on_Mars.jpg