مشاهدات نادر از گردابه زمستانی قطب مریخ و افزایش اوزون

مشاهدات نادر از گردابه زمستانی قطب مریخ و افزایش اوزون

نظرات

9 دقیقه

مشاهدات نادر از گردابه زمستانی قطب مریخ

نمایی از قطب شمال مریخ که از ترکیب تصاویری که فضاپیمای Mars Express آژانس فضایی اروپا گرفته با داده‌های توپوگرافیِ Mars Orbiter Laser Altimeter—ابزاری که زمانی روی مأموریت Mars Global Surveyor ناسا حضور داشت—ایجاد شده است. این تصویر ترکیبی به درک بهتر ساختار سطح و ارتباط آن با الگوهای جوی کمک می‌کند.

مشاهدات راه دور از منطقه قطب شمال مریخ شرایطی بسیار شدید و غیرمنتظره را درون گردابه قطبی زمستانی این سیاره نشان داده‌اند، از جمله افزایش چشمگیر غلظت اوزون در برخی بازه‌ها. تحلیل‌های تازه‌ای که داده‌های مأموریت Trace Gas Orbiter (TGO) آژانس فضایی اروپا را با مشاهدات Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ناسا ترکیب می‌کنند، نشان می‌دهند که دما درون گردابه به میزان ده‌ها درجه سانتی‌گراد سردتر از هوای پیرامونی است و شب طولانی قطبی به تجمع اوزون کمک می‌کند.

این نتایج توسط تیمی به سرپرستی دکتر کوین اولسن (دانشگاه آکسفورد) در نشست مشترک EPSC-DPS2025 در هلسینکی ارائه شد. با مقایسه اندازه‌گیری‌های لبه‌ای (limb-viewing) از دستگاه Atmospheric Chemistry Suite (ACS) روی TGO و پروفیل‌های دما از Mars Climate Sounder (MCS) روی MRO، گروه توانست شرایط درون گردابه را جدا کند و تغییرات شیمیایی را دنبال کند که هنگام غیاب نور خورشید برای دوره‌های طولانی رخ می‌دهد.

چگونگی شکل‌گیری گردابه قطبی و اهمیت آن

گردابه قطبی مریخ یک پدیده فصلی است که ناشی از انحراف محوری سیاره به اندازه 25.2 درجه است. مشابه نواحی عرض‌های بالای زمین، پایان تابستان شمالی مریخ ورود به شب قطبی طولانی را رقم می‌زند. نبود گرمایش خورشیدی موجب شکل‌گیری ساختار بادی قوی پیرامون قطب—یا همان گردابه قطبی—می‌شود که هوا را در بر می‌گیرد و ستون هوایی قطبی را از عرض‌های پایین‌تر جدا می‌کند. این جداسازی دینامیکی باعث می‌شود فرآیندهای شیمیایی و تبادل گازی میان قطب و نواحی مجاور محدود شود.

یک نمودار شماتیک از اندازه‌گیری‌های دما نشان می‌دهد که درون گردابه قطبی شمالی تا حدود 40 درجه سانتی‌گراد نسبت به هوای بیرون سردتر است (خط زرد نشان‌دهنده محدوده داخل گردابه است). اعتبار: Kevin Olsen (دانشگاه آکسفورد) و همکاران.

درون گردابه مریخی، جو از سطح تا تقریباً ارتفاع 30 کیلومتر بسیار سرد می‌شود—تحلیل‌ها نشان می‌دهند این کاهش دما می‌تواند در حدود 40 درجه سانتی‌گراد نسبت به هوای خارج از گردابه باشد. چنین سرمای قابل‌توجهی حتی مقادیر اندک بخار آب موجود در جو مریخ را وادار به تقطیر و رسوب بر روی کلاهک یخی قطبی می‌کند. کاهش بخار آب در فاز گازی، زنجیره‌ای از تغییرات شیمیایی را به دنبال دارد که در نهایت شرایط را برای تجمع اوزون مهیا می‌کند؛ چرا که بسیاری از مسیرهای تخریب اوزون وابسته به رادیکال‌های حاصل از آب هستند.

شیمی اوزون در شب قطبی مریخ

اوزون (O3) در مریخ یک گونه واکنشی اکسیژن است که به‌عنوان نشانگری برای فرآیندهای فوتوشیمیایی و کاتالیتیکی در جو به کار می‌رود. تحت تابش خورشید، واکنش‌های فوتوشیمیایی اوزون را تولید و از بین می‌برند و تعادل دینامیکی میان تولید و نابودی شکل می‌گیرد. یکی از مسیرهای مهم نابودی اوزون شامل برخوردهای بین اوزون و گونه‌های هیدروژنی است که از بخار آب منشأ می‌گیرند؛ هنگامی که بخار آب در معرض پرتو فرابنفش قرار می‌گیرد، مسیرهای شیمیایی فعال می‌شوند که توانایی تجزیه اوزون را دارند.

اما در دوره شب قطبی، دو پدیده همزمان رخ می‌دهند: فوتولیزهای وابسته به UV عملاً متوقف می‌شود و بخار آب از فاز گاز حذف می‌گردد چون تقطیر و رسوب روی یخ رخ می‌دهد. وقتی مسیرهای نابودی اوزون که به رادیکال‌های ناشی از آب وابسته‌اند حذف شوند، اوزون می‌تواند در داخل گردابه تجمع یابد. نتیجه خالصِ مشاهده‌شده توسط TGO/ACS افزایش قابل‌اندازه‌گیری اوزون در مقایسه با عرض‌های جغرافیایی مجاور و آفتابی بود. این افزایش به‌صورت محلی و موقتی است، اما از منظر شیمی اتمسفری اهمیت زیادی دارد.

درک اندازه و تغییرپذیری مقدار اوزون در جو مریخ، فراتر از یک تصویر آنی از شیمی موجود، اطلاعاتی ارزشمند برای مدل‌های تکاملی جو فراهم می‌آورد. توزیع و فراوانی اوزون داده‌هایی در مورد چگونگی تغییر لایه‌های محافظ در طول زمان زمین‌شناسی ارائه می‌کنند؛ اگر مریخ زمانی لایه اوزون ضخیم‌تری داشته باشد، تابش فرابنفش سطحی کاهش یافته و این امر پیامدهای مستقیم برای بقای احتمالی یا پیدایش حیات سطحی در گذشته مریخ خواهد داشت. بنابراین بررسی اوزون در شرایط مختلف فصلی و دینامیکی، پنجره‌ای به تاریخچه محیطی سیاره است.

روش‌ها: ترکیب ابزارها برای کاوش شب قطبی

کاوش شب قطبی مریخ مستلزم استفاده هماهنگ از ابزارهای مختلف مداری است. ACS روی TGO جذب نور خورشید را هنگام عبور آن از لبه جو در پدیده اختفای ستاره‌ای (occultation) اندازه‌گیری می‌کند—این روش بسیار حساسی برای آشکارسازی گونه‌های مولکولی و تعیین توزیع عمودی آن‌هاست. با این حال، ACS برای انجام طیف‌سنجی لبه‌ای به حضور نور خورشید نیاز دارد، بنابراین تاریکی کامل بر فراز قطب نمونه‌برداری پیوسته را غیرممکن می‌سازد.

برای عبور از این محدودیت، تیم اولسن از پروفیل‌های دما در طیف حرارتی و فروسرخ که توسط MCS تهیه می‌شود استفاده کرد تا زمان‌ها و مناطقی را شناسایی کند که ساختار گردابه به‌طور موقت دچار برهم‌خوردگی شده و اجازه می‌دهد نور خورشید در مسیرهای لبه‌ای نفوذ کند. افت‌های دمایی که توسط MCS مشاهده شدند، نشانگرهای روشنی برای شناسایی داخل گردابه بودند؛ تطابق این بازه‌ها با اختفاهای ACS، مشاهده‌هایی را که داخل یا خارج گردابه انجام شده بودند مشخص می‌کرد. این رویکرد میان‌ابزاری، تصویری قابل‌اطمینان از محیط شیمیایی قطبی در پنجره‌های روشنایی جزئی فراهم ساخت و امکان تحلیل تغییرات زمانی و هم‌افزایی داده‌ها را مهیا کرد.

علاوه بر این، این کار ترکیبی به تیم اجازه داد تا پارامترهای اضافی مانند فشار موثر، لبه نفوذ نور و ساختار عمودی لایه‌های یخیِ رسوبی را بهتر تخمین بزنند. استفاده از مدل‌های رادیوتراپیک (radiative transfer) همراه با مشاهدات، کمک کرد تا نسبت‌های اختفا و جذب مولکولی با دقت بیشتری برازش شود و عدم قطعیت‌های نتیجه‌گیری‌ها کاهش یابد.

پیامدها برای مأموریت‌ها و پژوهش‌های آینده

این یافته‌ها برای دانش اتمسفری و کاوش سیاره‌ای هر دو اهمیت دارند. ربات پژوهشی ExoMars Rosalind Franklin آژانس فضایی اروپا که پیش‌بینی شده است در سال 2028 پرتاب شود، به دنبال شواهدی از زندگی گذشته در مریخ است. تعیین اینکه آیا مریخ زمانی لایه اوزون قابل‌توجهی داشته می‌تواند شرایط تابشی سطح را در طول زمان محدود کند و مکان‌ها و بازه‌های زمانی احتمالی را که سطح ممکن است مناسب زندگی بوده باشد مشخص سازد.

این مشاهدات همچنین اهمیت پایش طولانی‌مدت و چندابزاره از مدار را برجسته می‌کنند. ابزارهایی مانند TGO/ACS و MRO/MCS مکمل یکدیگرند: ACS اندازه‌گیری‌های ترکیب‌ِ شیمیایی دقیق ارائه می‌دهد، در حالی که MCS زمینه دمایی لازم برای تفسیر این سیگنال‌ها در حضور دینامیک متغیر جوی را فراهم می‌آورد. این هم‌افزایی نشان می‌دهد که برای پاسخ به سوالات پیچیده درباره شیمی فصلی و فرایندهای انتقال جرمی در جو مریخ، نگاه یک‌بعدی کافی نیست و نیاز به شبکه‌ای از ابزارهای تخصصی وجود دارد.

از منظر عملیاتی، درک دقیق نوسانات دمایی و شیمیایی داخل گردابه برای برنامه‌ریزی بازه‌های اندازه‌گیری آینده و طراحی حسگرهایی که بتوانند در شرایط نور محدود یا طیف‌های ضعیف کار کنند، حیاتی است. همچنین این داده‌ها می‌توانند به انتخاب محل‌های نمونه‌برداری سطحی کمک کنند؛ مناطقی که در گذشته یا حال ممکن است تحت حفاظت نسبی از تابش فرابنفش بوده‌اند، گزینه‌های جذابی برای جستجوی نشانگرهای زیستی حفظ‌شده هستند.

دیدگاه کارشناسی

«این مشاهدات نمونه‌ای عالی از این است که چگونه ترکیب نقشه‌برداری دمایی با اندازه‌گیری‌های ترکیب، افق‌های جدیدی در شیمی فصلی مریخ می‌گشاید»، دکتر النا مارکز، پژوهشگر اتمسفر سیاره‌ای (شخصیت ساختگی) که در حسگرهای حرارتی فروسرخ تجربه دارد، می‌گوید. «تجمع اوزون درون گردابه قطبی نشان می‌دهد که حتی تغییرات ظریف در بخار آب و تابش خورشیدی می‌تواند تعادل چرخه‌های شیمیایی کلیدی را دگرگون کند—اطلاعاتی که هنگام بازسازی تاریخ اتمسفر مریخ و ارزیابی قابلیت زیست‌پذیری گذشته آن حیاتی است.»

نتیجه‌گیری

کشف افزایش اوزون در داخل گردابه زمستانی مریخ نشان می‌دهد که سرمای شدید و تاریکی طولانی چگونه شیمی جو سیاره سرخ را بازچینی می‌کنند. با تلفیق داده‌های Atmospheric Chemistry Suite روی TGO و Mars Climate Sounder روی MRO، پژوهشگران توانستند نشان دهند که چگونه تقطیر بخار آب، نبود فوتون‌های UV و دینامیک گردابه با هم ترکیب شده و به تقویت موضعی اوزون منجر می‌شوند. این بینش‌ها مدل‌های محیط گذشته مریخ را پالایش می‌کنند و به مأموریت‌های آینده کمک می‌نمایند تا بهتر مکان‌ها و بازه‌های زمانی مناسب برای بررسی بقای احتمالی حیات را شناسایی کنند. به‌علاوه، نشان دادن اهمیت نظارت چندابزاره و بلندمدت یادآور این است که پاسخ به پرسش‌های بنیادین درباره جو و تاریخ مریخ نیازمند همکاری میان مأموریت‌ها و تحلیل‌های بین‌رشته‌ای است.

منبع: scitechdaily

ارسال نظر

نظرات

مطالب مرتبط