Dziwna chmura na Marsie okazuje się... jeszcze dziwniejsza

Naukowcy Europejskiej Agencji Kosmicznej dokonali intrygującego odkrycia dotyczącego jednej z najbardziej niezwykłych chmur na Marsie. Chodzi o tzw. Arsia Mons Elongated Cloud (AMEC), spektakularną, rozciągającą się na setki kilometrów smugę lodu wodnego, która regularnie pojawia się w okolicach wulkanu Arsia Mons. Najnowsze badania wskazują, że jej powstawanie wiąże się z procesami fizycznymi, które dotąd uważano za czysto teoretyczne i niespotykane w naturze. Wyniki opisano na lamach czasopisma "Nature Geoscience".

AMEC na zdjęciu z sondy Mars Express (Fot. ESA/DLR/FU Berlin) /materiały udostępnione

Chmura, która była dla naukowców zagadką

AMEC to zjawisko, które co roku przyciąga uwagę astronomów. W okresie marsjańskiej wiosny i lata, na południowej półkuli Czerwonej Planety, nad wulkanem Arsia Mons, mającym aż 20 kilometrów wysokości, pojawia się jasna, wydłużona chmura. Jej długość potrafi osiągnąć nawet 1800 kilometrów. Chmura ta powstaje, rośnie i zanika w ciągu marsjańskiego poranka. Cały cykl powtarza się przez kilka miesięcy.

Pierwsze szczegółowe obserwacje AMEC zostały przeprowadzone w 2018 roku przez sondę Mars Express. Od tego czasu naukowcy regularnie śledzą jej powstawanie i ewolucję. Wykorzystują do tego zaawansowane kamery sondy oraz nowoczesne modele meteorologiczne Marsa.

Dotychczas sądzono, że AMEC jest przykładem tzw. chmury orograficznej, czyli formacji powstającej, gdy wiatr napotyka na przeszkodę w postaci góry lub wulkanu. Podobne zjawiska obserwujemy także na Ziemi. Jednak próby odtworzenia procesu powstawania tej chmury w komputerowych symulacjach przez długi czas kończyły się niepowodzeniem. Modele nie były w stanie odtworzyć obserwowanego zjawiska.

Przełom nastąpił dopiero wtedy, gdy naukowcy zdecydowali się uwzględnić w obliczeniach bardzo rzadko spotykany proces fizyczny, tak zwaną jednorodną nukleację lodu. To zjawisko, w którym para wodna zamienia się bezpośrednio w kryształki lodu, bez udziału jakichkolwiek cząstek pyłu, soli czy innych zanieczyszczeń, które zwykle są niezbędne do kondensacji pary wodnej.

Aby w modelu pojawiła się AMEC, musieliśmy uwzględnić egzotyczną fizykę, która dotąd była traktowana jako czysto teoretyczna - wyjaśnia dr Jorge Hernández-Bernal z Sorbonne Université w Paryżu, główny autor badania. Po uwzględnieniu tego procesu, chmura pojawiła się w symulacjach dokładnie tak, jak obserwujemy ją na zdjęciach - dodaje.

Na Ziemi i innych planetach chmury powstają zwykle poprzez tak zwaną heterogeniczną nukleację. Para wodna zmienia stan skupienia się na tzw. jądrach kondensacji, drobinach pyłu, sadzy czy soli. Jednak w przypadku AMEC, jak wynika z najnowszych badań, para wodna tworzy kryształki lodu bez udziału jakichkolwiek jąder kondensacji. Taki proces wymaga ekstremalnie wysokiej wilgotności względnej, nawet 100 000 razy większej niż ta, z którą mamy do czynienia na co dzień na Ziemi.

Naukowcy przypuszczali, że jednorodna nukleacja może zachodzić w górnych warstwach atmosfery Ziemi lub Wenus, ale dotąd nie udało się jej zaobserwować. Tymczasem na Marsie, w specyficznych warunkach panujących wokół wulkanu Arsia Mons, proces ten zachodzi regularnie.

Kluczową rolę odgrywa tutaj położenie wulkanu oraz specyfika marsjańskiej atmosfery. Gdy wiatr opływa masyw Arsia Mons, powstaje silna fala atmosferyczna, która w ciągu kilku minut unosi wilgotne masy powietrza na wysokość kilku kilometrów. W tym czasie temperatura gwałtownie spada (nawet o 30 stopni w ciągu 10 minut), a wilgotność względna osiąga ekstremalne wartości. W takich warunkach para wodna natychmiast zamienia się w kryształki lodu, tworząc charakterystyczną, wydłużoną chmurę.

Jakie znaczenie ma to odkrycie?

Choć nie wszystkie szczegóły modelu idealnie pokrywają się z obserwacjami, naukowcy uznają jego stworzenie za duży sukces. Sonda Mars Express, dzięki swoim instrumentom, umożliwia obserwację chmury w wysokiej rozdzielczości oraz śledzenie jej zmian w ciągu zaledwie kilku godzin. To pozwala na wyjątkowo dokładne badania krótkotrwałych zjawisk atmosferycznych na Marsie.

Odkrycie to nie tylko poszerza naszą wiedzę o atmosferze Czerwonej Planety, ale także pokazuje, że w badaniach planetarnych nie należy wykluczać nawet najbardziej nieprawdopodobnych procesów fizycznych. 

Choć chmury na Ziemi i Marsie wydają się rządzić podobnymi prawami, zrozumienie tej egzotycznej marsjańskiej chmury wymagało zastosowania egzotycznej fizyki - podkreślają badacze.

Wyniki badań nad AMEC mogą mieć znaczenie nie tylko dla zrozumienia Marsa, ale również innych planet, w tym pozasłonecznych. Pokazują, że nawet w dobrze znanych zjawiskach mogą kryć się procesy, które dotąd uważano za niemożliwe do zaobserwowania w naturze. To otwiera nowe perspektywy dla naukowców zajmujących się badaniami atmosfer planetarnych w całym Układzie Słonecznym i poza nim.