Co się stało z marsjańską wodą

Mangalyaan – pierwsza marsjańska misja Indyjskiej Organizacji Badań Kosmicznych – jest już w drodze od kilku tygodni. Co prawda jej głównym celem jest udowodnienie, że Indie potrafią wysłać statek kosmiczny na Marsa, ale na pokładzie znajdują się także urządzenia do badania stanu marsjańskiej atmosfery.

MAVEN, misja NASA, została wystrzelona w poniedziałek 19 listopada. Jak tłumaczy dr Robert Lillis, jeden z naukowców pracujących nad misją, jest ona pierwszą całkowicie skupioną na badaniu, jak Mars stracił oceany i znaczną część powłoki gazowej.

ExoMars jest trzeci w kolejce. Zostanie wysłany w 2016 r., wspólnie przez Europejską Agencję Kosmiczną i rosyjską agencję Roskosmos. Dr Olivier Witasse, koordynator misji ze strony europejskiej, wyjaśniał, że ExoMars zajmie się m.in. analizą cząsteczek bardzo rzadko występujących w atmosferze. Pozwoli to wyliczyć, jaki procent powłoki gazowej Czerwonej Planety zniknął razem z większością marsjańskiej wody.

Na razie nie wiemy dokładnie, co spowodowało zmianę warunków na Czerwonej Planecie, ale rozumiemy, dlaczego woda nie jest obecnie stabilna na powierzchni Marsa. Ta planeta nie jest wcale zbyt zimna, żeby istniała na jej powierzchni woda w stanie ciekłym. Owszem, średnia temperatura na powierzchni wynosi ok. -55°C, ale w niektórych miejscach w letnie dni może być nawet 25°C.

STANY SKUPIENIA: JAK TO DZIAŁA

To nie temperatura jest przeszkodą, lecz zbyt niskie ciśnienie atmosferyczne.

Woda wrze w temperaturze 100°C. Prawda? Nie do końca. Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia: im niższe, tym niższa temperatura wrzenia. Najłatwiej zaobserwować zmiany ciśnienia związane z położeniem nad poziomem morza: im wyżej się znajdujemy, tym mniej powietrza zalega nad naszymi głowami i niższe jest ciśnienie. Chcąc przygotować herbatę na plaży w Sopocie, musimy podgrzać wodę do 100°C. W barze na Kasprowym Wierchu, położonym na wysokości 1959 m n.p.m., woda będzie wrzeć już w 93°C. Zaś na wysokości ok. 28 km, gdzie ciśnienie wynosi mniej więcej tyle ile średnio na Marsie, woda zacznie się gotować już poniżej 1°C. W ciśnieniu niższym niż 611 Pa lód zmienia się od razu w parę, bo woda wrze, nim jeszcze przekształci się w płyn.

Dlaczego? Stan skupienia substancji zależy od tego, jak szybko poruszają się jej cząsteczki. Cząsteczki H2O w stanie stałym mają tak mało energii, że mogą jedynie drgać w miejscu. Jeżeli podgrzejemy lód – dodając do systemu energii – cząsteczki zyskają możliwość powolnego poruszania się. Gotując wodę, dostarczamy im tyle energii, że zaczynają latać jak szalone, zmieniając się w parę.

Dlaczego jednak stan skupienia zależy też od ciśnienia? Wyobraźmy sobie w roli cząsteczki H2O dwulatka w przedziale kolejowym. Jeżeli jest tam sam z rodzicami, biega po całym dostępnym mu obszarze. Jeżeli dosiądą się inni i „ciśnienie pasażerów” w przedziale się zwiększy, nasz dwulatek będzie musiał zmniejszyć zakres i prędkość poruszania się – jak cząsteczki wody w szklance. Gdy kolejne osoby zajmą nawet miejsca stojące, biednemu dziecku pozostanie kręcenie się w objęciach mamy – jak cząsteczka H2O w lodzie.

ATMOSFERA: ULOTNA POWŁOKA

Średnie ciśnienie atmosferyczne na Marsie wynosi średnio ok. 600 Pa, czyli zaledwie 0,6 proc. ciśnienia na poziomie ziemskiego morza. To za mało, by woda mogła tam występować w stanie ciekłym. Jednak na Czerwonej Planecie znajdują się głębokie na kilka kilometrów kratery, gdzie ciśnienie wynosi nawet 1150 Pa – woda powinna być tam więc stabilna do ok. 20°C. Czemu więc nawet tam nie ma ani jednego jeziorka?

Bo trzeba wziąć pod uwagę jeszcze jeden czynnik: wilgotność powietrza, czyli ilość zawartej w nim pary wodnej. Zależy od tego szybkość parowania wody. Znamy to z doświadczenia: w wilgotny dzień nawet po kilku godzinach pranie nie chce schnąć, za to w słoneczny, suchy dzień schnie bardzo szybko. Powietrze na Marsie jest znacznie bardziej suche niż w najmniej wilgotnych rejonach Ziemi. Dlatego nawet na dnie najgłębszego krateru Czerwonej Planety szklanka wody wyparowałaby całkowicie (ale bez wrzenia) w mniej niż godzinę.

Dziś na bardzo krótkotrwałe istnienie na Marsie płynnej wody, pochodzącej z roztopionego lodu, wskazują tylko małe wąwozy. Jednak kiedyś Mars był pełen wody. Pozostały po niej ogromne kaniony, skomplikowane sieci koryt rzecznych, linie brzegowe jezior i mórz. Dzięki datowaniu tych struktur wiemy, że powstały ponad 3,5 mld lat temu – gdy na Ziemi powstawały pierwsze żywe organizmy. Co się zmieniło? Dlaczego planeta zamieniła się w wyschniętą na wiór pustynię?

Otóż atmosfera Marsa... po prostu uleciała w kosmos. Cząsteczki gazów tworzące atmosferę są utrzymywane na miejscu przez grawitację. Im większa planeta, tym więcej ma siły do utrzymania atmosfery. Masa Marsa to zaledwie 10 proc. ziemskiej – dlatego stracił on większość powłoki gazowej, podczas gdy Ziemia doświadczyła tego w znacznie mniejszej skali. Na niekorzyść Marsa działa też brak silnego pola magnetycznego. Powoduje to nie tylko, że kompasy są tam bezużyteczne, ale niesie też poważne skutki dla planety. Pole magnetyczne chroni ciało niebieskie przed bombardującymi je cząsteczkami pochodzącymi ze Słońca. Zderzając się z cząsteczkami w atmosferze, mogą one powodować ich rozpad. Cząsteczka wody rozpadnie się na wodór i tlen. Wodór, jako że jest bardzo lekki, szybko i bezpowrotnie ucieka w przestrzeń kosmiczną.

WODA UWIĘZIONA

Jednak część wody została na Marsie. Badania satelitarne misji Mars Odyssey pokazały, że marsjańskie czapy lodowe składają się w większości z lodu wodnego. Znacząca jego ilość znajduje się także tuż pod powierzchnią Marsa, w pobliżu biegunów. Można go było zaobserwować, gdy silniki lądownika misji Phoenix odsłoniły śnieżnobiały lód skryty pod zaledwie kilkunastocentymetrową warstwą piasku. Zaś dzięki badaniom łazika Curiosity wiemy, że część wody została uwięziona w skałach na powierzchni.

Marsjańskie rzeki nigdy już nie popłyną – zbyt wiele atmosfery umknęło bezpowrotnie w kosmos. Ale na Czerwonej Planecie wody jest nadal całkiem sporo. 


Dr ANNA ŁOSIAK jest geologiem planetarnym, absolwentką UW i Michigan State University oraz stypendystką Fulbrighta. Doktoryzowała się na Uniwersytecie w Wiedniu.