Około 4 miliardy lat temu, Mars wyglądał zupełnie inaczej niż dziś. Jego atmosfera była gęstsza i cieplejsza, a ciekła woda płynęła po jego powierzchni. Były to rzeki, stojące jeziora, a nawet głęboki ocean, który pokrywał większą część północnej półkuli. Dowody tej ciepłej, wodnistej przeszłości zachowały się na całej planecie w postaci koryt jezior, dolin rzecznych i delt rzek.
Od pewnego czasu naukowcy próbują odpowiedzieć na proste pytanie: gdzie podziała się cała ta woda? Czy uciekła w kosmos po tym, jak Mars stracił swoją atmosferę, czy gdzieś się cofnęła? Według nowych badań przeprowadzonych przez Caltech i NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), od 30% do 90% wody na Marsie znalazło się pod ziemią. Odkrycia te zaprzeczają powszechnie przyjętej teorii, że Mars stracił wodę w przestrzeni kosmicznej w ciągu eonów.
Badaniami kierowała Eva Scheller, doktorantka w Kalifornijskim Instytucie Technologii (Caltech). Bethany Ehlmann, która jest również zastępcą dyrektora Instytutu Studiów Kosmicznych Keck, profesor Caltech Yuk Yung, starszy pracownik naukowy NASA JPL, studentka Caltech Danica Adams oraz pracownik naukowy JPL Renyu Hu.
W ciągu ostatnich dwóch dekad NASA i inne agencje kosmiczne wysłały na Czerwoną Planetę ponad tuzin robotów badawczych, aby scharakteryzować jej geologię, klimat, powierzchnię, atmosferę i ewolucję. W trakcie tego procesu dowiedzieli się, że Mars miał kiedyś na swojej powierzchni wystarczająco dużo wody, aby pokryć całą planetę oceanem o głębokości od 100 do 1500 metrów - jest to objętość równa połowie Oceanu Atlantyckiego.
3 miliardy lat temu wody powierzchniowe na Marsie zniknęły, a krajobraz stał się taki, jaki jest dzisiaj (mroźny i wysuszony). Biorąc pod uwagę, jak wiele wody kiedyś tam płynęło, naukowcy zastanawiali się, jak mogła ona zniknąć. Do niedawna uważano, że kluczem jest ucieczka z atmosfery, gdzie woda jest chemicznie rozkładana, a następnie znika w przestrzeni kosmicznej.
Proces ten znany jest jako fotodysocjacja, gdzie ekspozycja na promieniowanie słoneczne rozbija cząsteczki wody na wodór i tlen. W tym momencie, jak głosi teoria, niska grawitacja Marsa pozwoliła na usunięcie wody z atmosfery przez wiatr słoneczny. Chociaż ten mechanizm z pewnością odegrał pewną rolę, naukowcy doszli do wniosku, że nie może on odpowiadać za większość utraconej przez Marsa wody.
Deuter (aka. "ciężka woda") jest stabilnym izotopem wodoru, który posiada zarówno proton jak i neutron w swoim jądrze, podczas gdy normalny wodór (protium) składa się z pojedynczego protonu. Ten cięższy izotop stanowi niewielki ułamek wodoru w znanym Wszechświecie (około 0,02%) i trudniej jest mu wyrwać się z grawitacji planety i uciec w przestrzeń kosmiczną.
Z tego powodu, utrata wody z planety do przestrzeni kosmicznej pozostawiłaby wyraźny ślad w atmosferze w postaci większego niż normalnie poziomu deuteru. Jest to jednak niezgodne z zaobserwowanym stosunkiem deuteru do protium w atmosferze Marsa, dlatego Scheller i jej koledzy proponują, że duża część wody została zaabsorbowana przez minerały w skorupie planety. Jak wyjaśnił Ehlmann w niedawnym komunikacie prasowym Caltech:
"Ucieczka atmosferyczna miała niewątpliwie wpływ na utratę wody, ale odkrycia z ostatniej dekady misji na Marsa wskazują na fakt, że istniał tam ogromny rezerwuar pradawnych minerałów z zawartością wody, których powstawanie z pewnością zmniejszyło z czasem dostępność wody".
Na Ziemi płynąca woda poddaje skały procesowi wietrzenia, tworząc gliny i minerały, które zawierają wodę jako część swojej struktury mineralnej. Ponieważ Ziemia jest aktywna tektonicznie, minerały są bez końca wymieniane między płaszczem a atmosferą (poprzez działania wulkaniczne). Podobne gliny i minerały zostały również znalezione na Marsie, co wskazuje na to, że kiedyś płynęła tam woda.
Ale ponieważ Mars jest tektonicznie nieaktywny (w przeważającej części), woda na jego powierzchni została wcześnie sekwestrowana i nigdy nie wróciła na powierzchnię. Tak więc cechy, które wskazują na obecność wody w przeszłości, zostały zachowane przez stałe wysychanie powierzchni. W międzyczasie znaczna część tej wody została zachowana poprzez wchłonięcie jej pod powierzchnie.
Badanie to nie tylko odpowiada na pytanie, w jaki sposób woda na Marsie zniknęła miliardy lat temu. Może to być również dobra wiadomość dla przyszłych załogowych misji na Marsa, które będą zależne od lokalnie zebranego lodu i wody. Wcześniej współautorzy Ehlmann, Huh i Yung współpracowali nad badaniami, które prześledziły historię węgla na Marsie - ponieważ dwutlenek węgla jest głównym składnikiem marsjańskiej atmosfery.
W przyszłości zespół planuje kontynuować analizę danych izotopowych i składu mineralnego, aby ustalić, co stało się z minerałami zawierającymi azot i siarkę na Marsie. Ponadto Scheller planuje rozszerzyć badania nad tym, co stało się z wodą na Marsie, przeprowadzając eksperymenty laboratoryjne symulujące marsjańskie procesy wietrzenia oraz obserwacje pradawnej skorupy w kraterze Jezero (gdzie Perseverance prowadzi obecnie badania).
Scheller i Ehlmann mają również pomagać przy kolejnych operacjach łazika Perseverance, gdy przyjdzie czas na zebranie skał i próbek z odwiertów. Zostaną one zwrócone na Ziemię przez kolejną misję NASA-ESA, gdzie naukowcy będą mogli je zbadać. Dla Scheller, Ehlmann i ich kolegów - pozwoli to na sprawdzenie ich teorii na temat zmian klimatycznych na Marsie i tego, co je napędza.
Praca opisująca ich odkrycia ukazała się niedawno w czasopiśmie Science, pod tytułem "Long-term Drying of Mars Caused by Sequestration of Ocean-scale Volumes of Water in the Crust" i została zaprezentowana 16 marca podczas Lunar and Planetary Science Conference (LPSC).
Badania były możliwe dzięki wsparciu udzielonemu przez NASA Habitable Worlds award, NASA Earth and Space Science Fellowship (NESSF) oraz NASA Future Investigator in NASA Earth and Space Science and Technology (FINESST).
