Stofstormen op Mars doen aardachtige wolken opwaaien

[univers]

ESA's Mars Express heeft onthuld dat Mars verrassende aardachtige wolkenpatronen opwekt die doen denken aan die in de tropische gebieden van onze planeet.

Aarde en Mars hebben enorm verschillende atmosferen. De droge, koude atmosfeer van Mars bestaat bijna volledig uit koolstofdioxide, terwijl die van de aarde rijk is aan stikstof en zuurstof. De atmosferische dichtheid is minder dan een vijftigste van de atmosfeer van de aarde - gelijk aan de dichtheid die wordt aangetroffen op ongeveer 35 km boven het aardoppervlak.

Ondanks dat ze enorm verschillen, is ontdekt dat hun wolkenpatronen verrassend aardachtig zijn, wat wijst op vergelijkbare vormingsprocessen.


Een spiraalvormige stofstorm is zichtbaar in deze afbeelding, gemaakt door de High Resolution Stereo Camera (HRSC)-imager op Mars Express. De missie volgde een reeks stormen tijdens de lente op de noordpool van de Rode Planeet in 2019. Terwijl de met ijs bedekte pool zich in de lente terugtrekt, ontstaan ​​er vaak intense lokale stofstormen.
De stormen groeiden en verdwenen in cycli over een periode van dagen. Deze afbeelding, gemaakt op 26 mei 2019, toont de vorming van een spiraalvorm waarvan de hoofdarm ongeveer 2000 km lang is.
In de storm is een korrelig patroon van stofcellen zichtbaar, gevormd door een proces dat convectie met gesloten cellen wordt genoemd. Dit type convectie is ook verantwoordelijk voor sommige wolkenpatronen op aarde. ESA/DLR/FU Berlijn

Een nieuwe studie duikt dieper in twee stofstormen die plaatsvonden in de buurt van de Noordpool van Mars in 2019. De stormen werden gemonitord tijdens de lente op de Noordpool, een tijd waarin lokale stormen gewoonlijk rond de terugtrekkende ijskap ontstaan.

Twee camera's aan boord van Mars Express - de Visual Monitoring Camera (VMC) en de High Resolution Stereo Camera (HRSC) - brachten samen met de MARCI-camera aan boord van NASA's Mars Reconnaissance Orbiter de stormen in beeld vanuit een baan om de aarde.

De opeenvolging van VMC- afbeeldingen laat zien dat de stormen lijken te groeien en te verdwijnen in herhaalde cycli over een periode van dagen, waarbij ze gemeenschappelijke kenmerken en vormen vertonen. Spiraalvormen zijn met name zichtbaar in de bredere weergaven van de HRSC-afbeeldingen. De spiralen zijn tussen de 1000 en 2000 km lang en hun oorsprong is dezelfde als die van de extratropische cyclonen die worden waargenomen op de middelste breedtegraden en polaire breedtegraden van de aarde.


Vergelijking van de wolkenpatronen in stofstormen op Mars met gesloten convectiecellen in de atmosfeer van de aarde. De afbeelding links toont een storm op de Noordpool van Mars in mei 2019, gezien vanaf de Visual Monitoring Camera (VMC) op Mars Express.
Het herhaalde patroon van kleine wolkencellen wordt veroorzaakt door convectiestromen, wanneer stoffige lucht wordt verwarmd door de zon en opstijgt tot een kleine cel met een horizontale afmeting van tussen de 20 en 40 km. De cellen worden omgeven door koelere lucht die naar beneden daalt en een grens vormt die het korrelpatroon creëert.
Aan de rechterkant legde Meteosat-8 de convectie met gesloten cellen op aarde vast. Meteosat 8, de eerste satelliet van de Meteosat Second Generation, is een gezamenlijke missie van Eumetsat en ESA. Deze foto is gemaakt op 20 maart 2020 boven de Azoren.
Het cellulaire patroon wordt gemaakt in een soortgelijk proces als het patroon op Mars, met vergelijkbare afmetingen van 20-50 km. In plaats van stof bevatten de luchtkolommen echter waterdamp die wordt verwarmd en opstijgt om wolken te vormen. Mars: ESA/GCP/UPV/EHU Bilbao; Aarde: EUMETSET

De beelden onthullen een bijzonder fenomeen op Mars. Ze laten zien dat de stofstormen op Mars bestaan ​​uit regelmatig uit elkaar geplaatste kleinere wolkencellen, gerangschikt als korrels of kiezels. De textuur is ook te zien in wolken in de atmosfeer van de aarde.

De bekende texturen worden gevormd door convectie, waarbij warme lucht opstijgt omdat deze minder dicht is dan de koelere lucht eromheen. Het type convectie dat hier wordt waargenomen, wordt convectie met gesloten cellen genoemd, wanneer lucht opstijgt in het midden van kleine wolkenzakken of cellen. De openingen in de lucht rond de wolkencellen zijn de wegen voor koelere lucht om onder de hete opstijgende lucht te zinken.

Op aarde bevat de stijgende lucht water dat condenseert om wolken te vormen. De stofwolken die door Mars Express in beeld zijn gebracht, laten hetzelfde proces zien, maar op Mars bevatten de opstijgende luchtkolommen stof in plaats van water. De zon verwarmt met stof beladen lucht waardoor deze opstijgt en stoffige cellen vormt. De cellen zijn omgeven door gebieden met dalende lucht die minder stof bevatten. Dit geeft aanleiding tot het korrelige patroon dat ook te zien is in het beeld van wolken op aarde.


Gevlekte stofwolken in een stofstorm op Mars zijn zichtbaar aan de rechterkant van deze afbeelding van ESA's Mars Express. De evolutie van deze storm werd op 29 mei 2019 gevolgd door de Visual Monitoring Camera. Deze storm ontstond tijdens het actieve lenteseizoen op de noordpool van Mars. De heldere ijskap van waterijs en kooldioxide-ijs is links zichtbaar in contrast met de donkere storm. De hitte van de lente zorgt ervoor dat de laag kooldioxide-ijs sublimeert en het waterijs eronder achterlaat.
De storm bestaat uit kleine stofcellen, die de korrelige textuur vormen die zichtbaar is in de afbeelding. Door de positie van de stofcellen in de storm te volgen, werd de windsnelheid gemeten tot 140 km/u. Overheersende winden verlengen de vorm van de cellen en de vorm van de armen van de storm.


Deze afbeelding, gemaakt met ESA's Mars Express, toont een stofstorm die langs de ijskap op de noordpool van Mars beweegt. De Visual Monitoring Camera volgde deze storm op 29 mei 2019, in de lente van Mars. Het verdween en verscheen opnieuw met verschillende structuren gedurende een periode van dagen.
In het midden van de beelden is het felgekleurde, reflecterende gebied van de ijskap te zien. De bruine wervelende storm, die zich voortbeweegt met een snelheid van ongeveer 70 km/u, bevindt zich aan de rechterkant van de afbeelding.
De poolkap bestaat uit waterijs, waarop in de winter een laag koolzuurijs wordt afgezet. Het waterijs blijft gedurende de seizoenen bestaan, terwijl in de lente de bovenste lagen van kooldioxide-ijs sublimeren en als gas weer de atmosfeer ingaan.


Stofwolken zichtbaar op het oppervlak van Mars vanuit het perspectief van de Visual Monitoring Camera (VMC) op ESA's Mars Express. De wolken maken deel uit van een grote stofstorm die op 29 mei 2019 rond de Noordpool van Mars raast. Het patroon van kleine wolkencellen wordt veroorzaakt door convectie met gesloten cellen, een soort convectie die vergelijkbare wolkenvormen op aarde creëert. De granulaire cellen hebben horizontale afmetingen van 20-40 km. Beeldvorming van deze storm door de VMC maakte het mogelijk om de hoogte van de cellen te meten.
Meting van de grootte van de schaduwen die door de cellen worden geworpen, gecombineerd met kennis van de positie van de zon, onthulde dat de cellen zich tussen de 6 en 11 km boven het oppervlak van de Rode Planeet bevinden.

Door de beweging van cellen in de reeks afbeeldingen te volgen, kan de windsnelheid worden gemeten. De wind waait met snelheden tot 140 km/u over de wolkenelementen, waardoor de vorm van de cellen in de richting van de wind langer wordt. Ondanks de chaotische en dynamische atmosferen van Mars en de aarde, creëert de natuur deze geordende patronen.

“Als je denkt aan een Marsachtige atmosfeer op aarde, zou je gemakkelijk kunnen denken aan een droge woestijn of poolgebied. Het is dan ook nogal onverwacht dat door het volgen van de chaotische beweging van stofstormen parallellen kunnen worden getrokken met de processen die plaatsvinden in de vochtige, hete en beslist zeer on-Mars-achtige tropische gebieden van de aarde', zegt Colin Wilson, ESA's Mars Express project wetenschapper.

Een belangrijk inzicht dat mogelijk is gemaakt met de VMC-beelden, is de meting van de hoogte van stofwolken. De lengte van de schaduwen die ze werpen, wordt gemeten en gecombineerd met kennis van de positie van de zon om de hoogte van de wolken boven het oppervlak van Mars te meten. Uit de resultaten bleek dat stof ongeveer 6-11 km boven de grond kan reiken en dat de cellen typische horizontale afmetingen hebben van 20-40 km.

"Ondanks het onvoorspelbare gedrag van stofstormen op Mars en de sterke windvlagen die daarmee gepaard gaan, hebben we gezien dat binnen hun complexiteit georganiseerde structuren zoals fronten en cellulaire convectiepatronen kunnen ontstaan", legt Agustín Sánchez-Levaga van de Universidad del País uit. Vasco UPV/EHU (Spanje), die het VMC-wetenschapsteam leidt en hoofdauteur is van een paper waarin de nieuwe analyse wordt gepresenteerd.

Dergelijke georganiseerde cellulaire convectie is niet uniek voor de aarde en Mars; waarnemingen van de Venusiaanse atmosfeer door Venus Express laten aantoonbaar vergelijkbare patronen zien. "Ons werk aan de droge convectie van Mars is een ander voorbeeld van de waarde van vergelijkende studies van vergelijkbare fenomenen die zich voordoen in planetaire atmosferen om de onderliggende mechanismen onder verschillende omstandigheden en omgevingen beter te begrijpen", voegt Agustín toe.

Naast meer leren over hoe planetaire atmosferen 'werken', is het begrijpen van stofstormen relevant voor toekomstige missies naar Mars. In extreme gevallen kunnen stofstormen een groot deel van het licht van de zon blokkeren om de zonnecellen van rovers op het oppervlak van de Rode Planeet te bereiken. In 2018 blokkeerde een stofstorm op planetaire schaal niet alleen het zonlicht dat het oppervlak bereikte, maar bedekte ook de zonnepanelen van NASA's Opportunity rover met stof. Beide factoren leidden ertoe dat de rover stroom verloor, waardoor de missie werd beëindigd.

Het volgen van de evolutie van stofstormen is cruciaal om toekomstige missies op zonne-energie – en uiteindelijk bemande missies naar de planeet – te helpen beschermen tegen zulke krachtige verschijnselen.

' Cellulaire patronen en droge convectie in gestructureerde stofstormen aan de rand van de noordpoolkap van Mars ' door A. Sánchez-Lavega et al. is gepubliceerd in het nummer van 15 november 2022 van het tijdschrift Icarus .

https://www.esa.int/Science_Exploration ... ike_clouds