La misión ExoMars descubre un nuevo gas y rastrea la pérdida de agua en Marte.

El orbitador ExoMars-TGO, de la Agencia Espacial Europea y Roscosmos, halla cloruro de hidrógeno en la atmósfera marciana, producida por la liberación de la sal incrustada en la superficie del planeta. Los datos de ExoMars permiten también cuantificar la pérdida de agua en el planeta rojo y establecer los mecanismos que contribuyen al proceso.

ExoMars observando agua en la atmósfera marciana. El orbitador de gases traza ESA-Roscosmos ExoMars estudia el vapor de agua y sus componentes a medida que se eleva a través de la atmósfera y sale al espacio. Al observar específicamente la relación entre el hidrógeno y su contraparte más pesado, el deuterio, se puede rastrear la evolución de la pérdida de agua a lo largo del tiempo. Crédito :IAA

Entre los objetivos principales en la exploración de Marte destacan la búsqueda de gases atmosféricos vinculados a la actividad biológica o geológica, así como el desarrollo de un inventario del agua del planeta, tanto en el pasado como en el presente, para determinar si Marte pudo ser habitable y si algún depósito de agua se halla accesible para exploración humana futura. Dos nuevos resultados del equipo de ExoMars, publicados hoy en Science Advances y en los que participan investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), revelan una clase de química completamente nueva y brindan más información sobre los cambios estacionales y las interacciones entre la superficie y la atmósfera.

Una nueva química.

“Hemos descubierto cloruro de hidrógeno por primera vez en Marte. Se trata de la primera detección de un gas halógeno en la atmósfera marciana, y representa un nuevo ciclo químico que debemos comprender”, apunta Kevin Olsen, investigador de la Universidad de Oxford y uno de los científicos que encabezan el descubrimiento.

Cómo se puede crear el cloruro de hidrógeno en Marte. Este gráfico describe un posible nuevo ciclo químico en Marte tras el descubrimiento de cloruro de hidrógeno en la atmósfera por parte de la ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter. Las sales en forma de cloruro de sodio (NaCl), remanentes de océanos evaporados e incrustadas en la polvorienta superficie de Marte, están muy extendidas en la superficie de Marte. Los vientos levantan este polvo salado a la atmósfera. La luz del sol calienta la atmósfera polvorienta y hace que se eleve el vapor de agua liberado por los casquetes polares. El polvo salado reacciona con el agua atmosférica para liberar cloro (Cl), que luego reacciona con moléculas que contienen hidrógeno (H) para crear cloruro de hidrógeno (HCl). Un proceso similar tiene lugar en la Tierra: la sal marina se lanza al aire y, si se mezcla con el vapor de agua, el cloro se vuelve disponible para reacciones químicas que forman HCl. Otras reacciones podrían hacer que el cloro o el polvo rico en cloruro de hidrógeno regresen a la superficie de Marte, tal vez como percloratos, una clase de sal hecha de oxígeno y cloro. Se observa que el HCl aparece y desaparece rápidamente de la atmósfera, por lo que debe crearse y destruirse rápidamente, con alguna fracción devuelta a la superficie. Las observaciones de ExoMars sugieren que esto podría ser un proceso anual impulsado por los cambios de estación, específicamente el calentamiento de la capa de hielo del hemisferio sur durante el verano austral, que libera vapor de agua a la atmósfera. El calor adicional también genera fuertes vientos a medida que el aire se mueve de las regiones cálidas a las frías. A su vez, los vientos levantan más polvo, provocando tormentas de polvo regionales y globales. El gráfico está simplificado para mostrar de manera muy amplia una posible forma en que se genera el cloruro de hidrógeno; Es probable que existan vías adicionales para las reacciones químicas que también podrían estar en juego, quizás con otros gases traza que ExoMars aún no ha descubierto. Crédito: ESA

El cloruro de hidrógeno, formado por un átomo de hidrógeno y uno de cloro, forma parte del grupo de gases con base de azufre y cloro a los que los especialistas en Marte prestan especial atención por ser indicadores de la actividad volcánica. Sin embargo, la naturaleza de las observaciones de cloruro de hidrógeno, detectado en lugares muy distantes a la vez y sin la presencia de otros gases asociados a la actividad volcánica, apunta a una fuente distinta. Así, el descubrimiento sugiere una interacción entre la superficie y la atmósfera completamente nueva, impulsada por las estaciones de polvo en Marte.

En un proceso muy similar al que se observa en la Tierra, las sales en forma de cloruro de sodio, restos de antiguos océanos evaporados e incrustadas en la superficie de Marte, son elevadas a la atmósfera por los vientos. La luz solar calienta la atmósfera y hace que se eleve el polvo, así como el vapor de agua liberado desde los casquetes polares. El polvo salado reacciona con el agua atmosférica para liberar cloro, que luego reacciona con moléculas que contienen hidrógeno para crear cloruro de hidrógeno. Así, estaríamos ante un escenario químico donde el agua representa un papel fundamental, y donde también parece haber una correlación con el polvo, ya que se observa más cloruro de hidrógeno cuando aumenta la actividad del polvo, que a su vez está relacionado con el calentamiento estacional del hemisferio sur.

El equipo detectó por primera vez el gas simultáneamente en los hemisferios norte y sur durante la tormenta de polvo global en 2018, y fue testigo de su desaparición, sorprendentemente rápida, al final del período estacional del polvo. En la actualidad están analizando los datos recopilados durante la siguiente temporada de polvo donde, de nuevo, se observa un aumento en el cloruro de hidrógeno.

Cómo ExoMars estudia la atmósfera. El ExoMars Trace Gas Orbiter analizará la atmósfera de Marte con dos espectrómetros: Atmospheric Chemistry Suite (ACS) y Nadir and Occultation for MArs Discovery, o NOMAD. El gráfico muestra una representación simple (no a escala) de los tres modos de observación que se utilizarán. En el modo nadir (izquierda), la nave mira directamente a la luz solar reflejada desde la superficie y la atmósfera de Marte. En el modo de extremidad (centro), mira a través del horizonte marciano a la emisión de la atmósfera. En el modo de ocultación solar (derecha), los instrumentos apuntan a través de la atmósfera hacia el Sol y observan cómo los diferentes ingredientes atmosféricos absorben la luz del Sol. Dado que diferentes sustancias químicas tienen huellas dactilares distintivas, estas observaciones proporcionan un inventario detallado de la composición de la atmósfera. Estas observaciones son críticas para detectar gases atmosféricos que existen en pequeñas cantidades, pero que juegan un papel importante en determinar si Marte está activo hoy, ya sea geológica o biológicamente hablando. Tenga en cuenta que la orientación de la nave espacial no es cierta: se muestra aquí con el panel de instrumentos mirando hacia el espectador solo con fines ilustrativos. El ACS está representado por el cuadrado amarillo en la parte delantera del orbitador; NOMAD es la caja gris también en el frente. Haga clic aquí para ver un diagrama etiquetado. Crédito: ESA / ATG medialab.

El aumento del vapor de agua y la evolución del clima marciano.

Las evidencias apuntan a que, en el pasado, el agua líquida fluyó a través de la superficie de Marte, como lo demuestran los numerosos antiguos valles y canales de ríos secos. Hoy en día el agua se halla en los casquetes polares y enterrada bajo tierra, y sabemos que el planeta sigue perdiendo agua, que escapa a la atmósfera en forma de vapor.

Comprender la interacción de los posibles depósitos de agua y su comportamiento estacional y a largo plazo resulta clave para comprender la evolución del clima de Marte. Esto se puede llevar a cabo mediante el estudio del vapor de agua y del agua semipesada, en la que un átomo de hidrógeno se reemplaza por un átomo de deuterio, una forma de hidrógeno con un neutrón adicional.

La proporción entre deuterio e hidrógeno funciona a modo de reloj, ya que nos informa sobre la historia del agua en Marte y sobre cómo evolucionó su pérdida con el tiempo. Y ExoMars-TGO permite observar la trayectoria de los distintos tipos de agua a medida que se elevan en la atmósfera con un detalle sin precedentes, ya que las mediciones anteriores solo aportaban el promedio sobre la profundidad de toda la atmósfera. “Es como si antes solo tuviéramos una vista en dos dimensiones, en tanto que ahora podemos explorar la atmósfera marciana en 3D”, indica Ann Carine Vandaele, investigadora principal del instrumento NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) que se utilizó para esta investigación y en el que participa el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC).

Los nuevos datos muestran que, una vez que el agua se vaporiza por completo, muestra un gran enriquecimiento en agua semipesada y una relación entre deuterio e hidrógeno seis veces mayor que la terrestre en todos los depósitos de Marte, lo que confirma que, con el tiempo, se han perdido grandes cantidades de agua.

Los datos de ExoMars recopilados entre abril de 2018 y abril de 2019 mostraron también tres factores que aceleraron la pérdida de agua de la atmósfera: la tormenta de polvo global de 2018, una tormenta regional corta pero intensa en enero de 2019 y la liberación de agua de la capa de hielo del polo sur durante los meses de verano. También se observó una columna de vapor de agua en aumento durante el verano austral que, se cree, inyectaría agua en la atmósfera superior de forma estacional y anual.

“Los dos trabajos certifican el magnífico set de instrumentos que están caracterizando la atmósfera de Marte: desde el descubrimiento y detección de la presencia de cloruro de hidrógeno, en cantidades muy pequeñas pero suficientes para ser detectadas y cuantificadas por los instrumentos ACS y NOMAD, a la caracterización y cuantificación del escape del agua del planeta, midiendo incluso la fracción de agua pesada que escapa en relación al total. Esto constituye un paso importantísimo para entender la historia de la evolución de la atmósfera de Marte, desde una atmósfera más densa y con una mayor cantidad de agua hasta la débil atmósfera que presenta en la actualidad”, concluye José Juan López-Moreno, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que participa en los resultados y en el consorcio del instrumento NOMAD.

Imagen de autor de la sonda Exomars de la ESA. Crédito: IAA

Referencia:

Contacto:

Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)

Unidad de Divulgación y Comunicación

Silbia López de Lacalle – sll[arroba]iaa.es – 958230676

https://www.iaa.csic.es

https://divulgacion.iaa.csic.es

• Publicado en el IAA el 11 de febrero del 2021, enlace publicación.

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