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Cómo el Sol 'bombea' el agua de Marte

Moscow Institute of Physics and Technology

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IMAGE: Concentración del vapor de agua en la atmósfera en función de la longitud solar, altura sobre la superficie y latitud geográfica. Los flujos descendentes se muestran en azul, y los... view more 

Credit: Dmitry S. Shaposhnikov et al./Geophysical Research Letters

Físicos de Rusia y Alemania propusieron una explicación a los nuevos datos de los satélites marcianos que registraron el "escape" de átomos de hidrógeno de la atmósfera superior hacia el espacio exterior. El modelo elaborado se complementa perfectamente con las observaciones realizadas y permite explicar una serie de fenómenos en la atmósfera del Marte, anteriormente incomprensibles. El estudio fue publicado en la revista Geophysical Research Letters.

La atmósfera marciana es fría y escasa, y se parece a la atmósfera terrestre a grandes alturas. En tales condiciones, el agua no se encuentra en su fase líquida, sino que forma nubes consistentes en pequeños cristales de hielo. En la Tierra, este tipo de nubes aparecen a una altura de 6 km sobre la superficie y se denominan cirros. Debido a que estos cristales son bastante pesados, la mayor volumen de agua se concentra en la capa inferior de la atmósfera, cuyo espesor es de unos 60 km. Sin embargo, los datos obtenidos del satélite estadounidense MAVEN (del inglés Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN - "Evolución de la atmósfera y la materia volátil en Marte") y del telescopio espacial Hubble, indican un flujo periódico de átomos de hidrógeno que dejan el planeta. Su única fuente puede ser el agua que se desintegra en las capas superiores de la atmósfera (70-80 km sobre la superficie) bajo la acción de la radiación ultravioleta sobre el oxígeno y el hidrógeno.

Los científicos han sugerido respuestas a cómo tiene lugar el "escape" de agua a una altura aparentemente inaccesible.

Según las observaciones, el número de átomos de hidrógeno que vuelan hacia el espacio exterior aumenta durante el solsticio de verano en el hemisferio sur y durante las tormentas de polvo. Además, las fluctuaciones de concentración de agua en las capas superior e inferior de la atmósfera ocurren simultáneamente. En este sentido, los físicos plantearon la hipótesis de la existencia de cierta "bomba" que "bombea" agua hacia arriba, y explicaron su naturaleza con ayuda de modelos numéricos.

La hipótesis se basó en el modelo de circulación general de la atmósfera de Marte (Martian general circulation model, MPI-MGCM), elaborado en el Instituto Max Planck (Goettingen, Alemania). En ella se describe en detalle la transferencia de agua de la superficie a la termosfera (capa de la atmósfera donde la temperatura desciende al aumentar la altura) y se considera el efecto de las tormentas de polvo. Anteriormente, los científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y sus coautores de Alemania y Japón, presentaron un modelo que describía la distribución de vapor de agua y hielo en la atmósfera del Marte en el transcurso de un año; que también se convirtió en parte de una descripción más generalizada de los procesos que tenían lugar. A diferencia de los trabajos anteriores, el nuevo modelo consideraba también el proceso de fotodisociación del agua.

Viajando con el viento

Debido a que los procesos que ocurren en la atmósfera del Marte presentan una estacionalidad pronunciada, a menudo surge la necesidad de designar el período de tiempo en el que ocurre uno u otro evento. En la Tierra, simplemente nombraríamos una fecha, por ejemplo, el 20 de marzo, el día del equinoccio de primavera. Pero, a pesar de que para Marte fue elaborado un calendario propio (calendario Darius) que consta de 24 meses de 27-28 días cada uno, su uso no es muy cómodo. Con la frase "el vigésimo día del mes de Piscis" no es tan fácil darse cuenta sobre qué estación del año y sobre qué hemisferio se está hablando. En la práctica, en lugar de la fecha, es mucho más cómodo indicar el punto de la órbita en la que se encuentra el planeta en ese momento. Para ello, se utiliza la longitud solar (fig. 1)

Al efectuar el modelado se determinó que la concentración de agua en la atmósfera varía mucho durante el año, alcanzando los valores máximos en la longitud solar de 200° a 300°, cuando el planeta pasa el perihelio, el punto de la órbita más cercano al Sol (Fig. 2).

Los "flujos de vapor de agua son máximos cuando Ls = 260°, correspondientes al verano del sur, cuando la temperatura promedio en el planeta también es máxima. Durante el período de Ls = 220° a 300°, el hielo en la superficie del Marte en las latitudes del sur se sublima intensamente, y a una altura inferior a 40 km el agua existe en forma de vapor de agua, y más arriba el agua forma nubes de hielo", explicó Dmitry Sháposhnikov, el autor principal del artículo, el investigador del laboratorio de espectroscopia infrarroja aplicada del Instituto de Física y Tecnología de Moscú.

Los vientos estacionales que soplan a lo largo de los meridianos transportan el calor y la humedad desde el hemisferio "de verano" hacia el hemisferio "de invierno". La distribución de los flujos a una altitud superior a los 120 km indican la presencia de otros vientos en las latitudes medias y adyacentes, pero su contribución al panorama general no es tan sustancial.

Polvo y niebla

Las tormentas de polvo, que a veces ocurren en todo el planeta, causan impacto naturalmente en la circulación del agua, y de una manera bastante complicada. En primer lugar, el aire contaminado se calienta más, lo que evita que el agua se condense. En segundo lugar, los cristales de hielo se forman más fácilmente en las partículas de polvo (el polvo sirve como núcleo de una nueva fase) y, en consecuencia, se forman más nubes. En tercer lugar, las tormentas afectan la circulación de los flujos de aire a lo largo de los meridianos.

Para estudiar el efecto de las fuertes tormentas, se tomaron los parámetros de una tormenta de polvo global que ocurrió durante el período de perihelio en el año 28 marciano (se cuenta desde el 11 de abril de 1955) o en los años 2006-2007 para la Tierra. El modelado mostró que la temperatura aumentó en 20 °C en el polo sur y más de 45 °C en el polo norte. Los vientos que soplan de un polo a otro también aumentaron.

Dmitry Sháposhnikov explica: "El calentamiento más intenso de la atmósfera en el norte se debe al hecho de que el flujo de aire que viene del sur se enfría, colapsa intensamente sobre la superficie del planeta y al mismo tiempo le transfiere energía que se transforma al calor (véase la Fig. 3). Nuestros cálculos mostraron que el aumento de temperatura durante una tormenta de polvo lleva al aumento de la concentración de vapor de agua y de la intensidad de la circulación de los flujos de aire".

El aumento del contenido de agua lleva al hecho de que el espesor de la hidrosfera aumenta de 60 a 70 km. Al mismo tiempo, las nubes de hielo se hacen más densas y se ubican más arriba. Debido al aumento de la cantidad de partículas de polvo en el aire, se forma una gran cantidad de pequeños cristales de hielo, que se precipitan más lentamente que los grandes. Por eso, durante la tormenta, las nubes de hielo se encuentran más arriba y retienen más humedad. Por lo tanto, el alto contenido de polvo en el aire ayuda al agua a superar el "cuello de botella" y llegar a las capas superiores de la atmósfera.

El Sol -- ¿el amo de los flujos?

En la Tierra, la Luna es responsable de las mareas alta y baja. Fobos y Deimos, los satélites del Marte, son demasiado pequeños como para ocasionar un impacto significativo. El Sol tiene mayor impacto en el planeta, su atracción afecta también al vapor de agua. Como resultado, durante el día tiene lugar el "reflujo": la formación de un flujo ascendente de vapor de agua, y por la noche se forma un flujo descendente: el "flujo" (Fig. 4).

"El Sol funciona como una bomba que al "activarse" durante el día ayuda al agua a superar la altura de 60 km sobre la superficie. Durante una tormenta de polvo, la concentración de humedad en el aire y la velocidad del flujo de aire son mayores, por lo que la "bomba" es capaz de elevar el agua a una mayor altura", explica Dmitry Sháposhnikov.

Amigo mío, la teoría es solo cifras...

Para comprobar la adecuación del modelo, los autores compararon los resultados obtenidos con los datos recopilados por el Satélite de exploración de Marte (Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) en el año 28 marciano. El modelado y el experimento mostraron un aumento en la concentración de agua en la atmósfera durante el perihelio (Fig. 5). Desafortunadamente, las mediciones realizadas por el MRO durante la tormenta de polvo global y en altitudes superiores a los 80 km no tuvieron éxito. Sin embargo, a la altitud máxima posible para efectuar las mediciones con este aparato, aproximadamente a una altitud de 70-80 km, los valores medidos y calculados de concentración de vapor de agua resultaron ser aproximadamente iguales: 70-80 cm3/m3.

Los resultados de las mediciones nocturnas efectuadas antes del inicio de la tormenta global (Ls = 200°÷250°) a una altitud de 40-50 km también se corresponden muy bien con el modelado, mostrando un aumento de la concentración de agua en el flujo descendente de vapor de agua. Sin embargo, observamos que, según los datos del MRO, la concentración de agua es máxima a la altitud de 40-50 km, mientras que el modelo supone la disminución de la concentración de agua con el aumento de la altitud. Esto puede estar relacionado con el hecho de que la distribución de las partículas de polvo por tamaño, especificada en el modelo, difiere de la distribución real. El modelo también predice una fuerte caída del contenido de agua en la atmósfera después de Ls = 330°, lo que no se confirma con los datos experimentales.

Sin embargo, la distribución experimental y la calculada de la concentración de agua en función de la estación es bastante similar (véase la figura 5). Ambos procesos demuestran la presencia del "cuello de botella" en la circulación de agua en Marte, que puede ser superada por el agua solo en determinados momentos del perihelio. La probabilidad de paso aumenta si el perihelio coincide con una tormenta de polvo.

"El nuevo modelo se corresponde muy bien con las observaciones y permite explicar una serie de fenómenos en la atmósfera de Marte (la presencia del vapor de agua a una altura de más de 80 km, las fluctuaciones estacionales, el efecto de las tormentas de polvo, la influencia de los flujos solares), además, se puede utilizar para la comprobación de nuevas hipótesis", -comentó Aleksandr Rodin, uno de los autores del estudio y jefe del laboratorio de espectroscopia infrarroja aplicada del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, añadiendo además: "Esperamos con ansias los datos del complejo ruso de espectrometría ACS del proyecto internacional "ExoMars", cuyas capacidades son mucho más amplias que las de los instrumentos MRO y en cuyos datos nos basamos. Además, el estudio demuestra cuán importantes pueden ser para el clima global, los procesos localizados en las regiones polares del planeta. Esto, por cierto, está también relacionado con nuestro planeta".

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Todos estos modelos están disponibles en línea en el sitio web https://mars.mipt.ru/.

El trabajo se realizó con el apoyo de la Fundación de Ciencias de Rusia.

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