Elke planeet in ons zonnestelsel staat in wisselwerking met de stroom van energetische deeltjes die van onze zon komen. Vaak aangeduid als "zonnewind", bestaan deze deeltjes voornamelijk uit elektronen, protonen en alfadeeltjes die constant hun weg banen naar de interstellaire ruimte. Waar deze stroom in contact komt met de magnetosfeer of atmosfeer van een planeet, vormt het een gebied om hen heen dat bekend staat als een 'boogschok'.
Deze regio's vormen zich voor de planeet en vertragen en leiden zonnewind af terwijl deze voorbij beweegt - net zoals hoe water wordt omgeleid rond een boot. In het geval van Mars is het de ionosfeer van de planeet die de geleidende omgeving biedt die nodig is om een boogschok te vormen. En volgens een nieuwe studie van een team van Europese wetenschappers, verschuift de boogschok van Mars als gevolg van veranderingen in de atmosfeer van de planeet.
De studie, getiteld "Jaarlijkse variaties in de locatie van de Martian Bow Shock zoals waargenomen door de Mars Express Mission", verscheen in de Journal of Geophysical Letters: Space Physics. Gebruikmakend van gegevens van de Mars Express orbiter, het wetenschapsteam probeerde te onderzoeken hoe en waarom de locatie van de boogschok in de loop van verschillende Marsjaren varieert, en welke factoren in de eerste plaats verantwoordelijk zijn.
Al vele decennia zijn astronomen zich ervan bewust dat boogschokken zich stroomopwaarts van een planeet vormen, waar interactie tussen zonnewind en de planeet ervoor zorgt dat energetische deeltjes vertragen en geleidelijk worden afgeleid. Waar de zonnewind de magnetosfeer of atmosfeer van de planeet ontmoet, wordt een scherpe grenslijn gevormd, die zich in een steeds grotere boog rond de planeet uitstrekt.
Dit is waar de term boogschok vandaan komt, vanwege zijn onderscheidende vorm. In het geval van Mars, dat geen globaal magnetisch veld heeft en een vrij dunne atmosfeer om op te starten (minder dan 1% van de atmosferische druk van de aarde op zeeniveau), is dit het elektrisch geladen gebied van de bovenste atmosfeer (de ionosfeer) die verantwoordelijk is voor het creëren van de boegschok rond de planeet.
Tegelijkertijd zorgt Mars met relatief kleine afmetingen, massa en zwaartekracht voor de vorming van een uitgebreide atmosfeer (d.w.z. een exosfeer). In dit deel van de atmosfeer van Mars ontsnappen gasvormige atomen en moleculen de ruimte in en werken ze rechtstreeks samen met zonnewind. In de loop der jaren zijn deze uitgestrekte atmosfeer en de boogschok van Mars waargenomen door meerdere baanmissies, die variaties in de grens van de laatstgenoemde hebben gedetecteerd.
Aangenomen wordt dat dit wordt veroorzaakt door meerdere factoren, niet in het minst de afstand. Omdat Mars een relatief excentrische baan heeft (0,0934 vergeleken met de 0,0167 van de aarde), varieert de afstand tot de zon nogal - variërend van 206,7 miljoen km (128,437 miljoen mijl; 1,3814 AU) in het perihelium tot 249,2 miljoen km (154,8457 miljoen mijl; 1,666). AU) bij aphelion.
Als de planeet dichterbij komt, neemt de dynamische druk van de zonnewind tegen zijn atmosfeer toe. Deze afstandsverandering valt echter ook samen met een toename van de hoeveelheid binnenkomende extreme ultraviolette (EUV) zonnestraling. Als gevolg hiervan neemt de snelheid waarmee ionen en elektronen (ook bekend als plasma) in de bovenste atmosfeer worden geproduceerd toe, waardoor een verhoogde thermische druk ontstaat die de binnenkomende zonnewind tegengaat.
Nieuw gecreëerde ionen in de uitgestrekte atmosfeer worden ook opgepikt en versneld door de elektromagnetische velden die door de zonnewind worden gedragen. Dit heeft als effect dat het wordt vertraagd en dat de boogschok van Mars van positie verandert. Dit alles is bekend in de loop van een enkel Marsjaar - wat overeenkomt met 686.971 aardedagen of 668.5991 Marsdagen (sols).
Hoe het zich gedurende langere tijd gedraagt, is echter een vraag die voorheen niet beantwoord werd. Als zodanig raadpleegde het team van Europese wetenschappers de door de Mars Express missie over een periode van vijf jaar. Deze gegevens werden genomen door de Analyzer of Space Plasma and EneRgetic Atoms (ASPERA-3) Electron Spectrometer (ELS), waarmee het team in totaal 11.861 boogschokovergangen onderzocht.
Wat ze ontdekten was dat de boogschok gemiddeld dichter bij Mars is wanneer hij in de buurt van aphelion (8102 km) is en verder weg bij perihelion (8984 km). Dit komt uit op een variatie van ongeveer 11% tijdens het Marsjaar, wat redelijk consistent is met zijn excentriciteit. Het team wilde echter zien welke (indien aanwezig) van de eerder bestudeerde mechanismen in de eerste plaats verantwoordelijk was voor deze verandering.
Daartoe beschouwde het team variaties in de winddichtheid van de zon, de sterkte van het interplanetaire magnetische veld en zonnestraling als primaire oorzaken - die allemaal afnemen naarmate de planeet verder van de zon verwijderd raakt. Wat ze echter ontdekten, was dat de locatie van de boogschok gevoeliger leek voor variaties in de output van de zon door extreme UV-straling in plaats van voor variaties in zonnewind zelf.
De variaties in de afstand van de boogschok bleken ook verband te houden met de hoeveelheid stof in de atmosfeer van Mars. Dit neemt toe naarmate Mars het perihelium nadert, waardoor de atmosfeer meer zonnestraling absorbeert en opwarmt. Net zoals hoe verhoogde niveaus van EUV leiden tot een grotere hoeveelheid plasma in de ionosfeer en exosfeer, lijken grotere hoeveelheden stof te werken als buffer tegen zonnewind.
Zoals Benjamin Hall, een onderzoeker aan de Lancaster University in het VK en de hoofdauteur van de paper, zei in een ESA-persbericht:
“Het is eerder aangetoond dat stofstormen interageren met de bovenste atmosfeer en de ionosfeer van Mars, dus er kan een indirecte koppeling zijn tussen de stofstormen en de locatie van de boogschok ... We trekken echter geen verdere conclusies over hoe de stofstormen direct zouden kunnen de locatie van de Martiaanse boogschok beïnvloeden en een dergelijk onderzoek overlaten aan een toekomstig onderzoek. "
Uiteindelijk konden Hall en zijn team geen enkele factor onderscheiden bij het aanpakken van waarom de boogschok van Mars over een langere periode verschuift. "Het lijkt waarschijnlijk dat geen enkel mechanisme onze waarnemingen kan verklaren, maar eerder een gecombineerd effect van al deze waarnemingen", zei hij. 'Op dit moment kan geen van hen worden uitgesloten.'
Vooruitblikkend hopen Hall en zijn collega's dat toekomstige missies zullen helpen om meer licht te werpen op de mechanismen achter de verschuivende boogschok van Mars. Zoals Hall aangaf, zal dit waarschijnlijk "" gezamenlijke onderzoeken door ESA's omvatten Mars Express en Trace Gas Orbiter en NASA's MAVEN missie. Vroege gegevens van MAVEN lijken de trends die we ontdekten te bevestigen. ”
Hoewel dit niet de eerste analyse was die probeerde te begrijpen hoe de atmosfeer van Mars in wisselwerking staat met zonnewind, was deze specifieke analyse gebaseerd op gegevens die over een veel langere periode waren verkregen dan enig eerder onderzoek. Uiteindelijk onthullen de meerdere missies die momenteel Mars bestuderen veel over de atmosferische dynamiek van deze planeet. Een planeet die, in tegenstelling tot de aarde, een heel zwak magnetisch veld heeft.
Wat we tijdens het proces leren, zal er in grote mate toe bijdragen dat toekomstige verkenningsmissies naar Mars en andere planeten met zwakke magnetische velden (zoals Venus en Mercurius) veilig en effectief zijn. Het kan ons misschien zelfs helpen bij het creëren van permanente bases op deze werelden!
