Γιατί η ατμόσφαιρα του Άρη να είναι τόσο λεπτή και να αποτελείται κυρίως από διοξείδιο του άνθρακα;

Συχνές Ερωτήσεις, Μάρτιος 2004 

Η ατμόσφαιρα του Άρη περιέχει διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) σε αναλογία, περίπου, 95,3% και άζωτο σε αναλογία 2,7%, ενώ το υπόλοιπο ποσοστό αποτελείται από ίχνη ορισμένων άλλων αερίων. Εντούτοις, είναι μια πολύ λεπτή ατμόσφαιρα, κατά προσέγγιση 100 φορές λιγότερο πυκνή από της Γης.

Η ατμόσφαιρα ενός πλανήτη φτιάχνεται από πτητικές ουσίες που αμέσως σχηματίζουν ένα αέριο ή ατμό. Ο Άρης απόκτησε πτητικές ουσίες από τους μικρούς πλανητοειδείς που συγχωνεύτηκαν και έφτιαξαν τον αρχικό όγκο του πλανήτη. Όμως, αργότερα ο Άρης έχασε τις πτητικές ουσίες όταν η ατμόσφαιρα εξαφανίστηκε από διάφορες φυσικές και χημικές διαδικασίες.

Όταν σχηματίστηκε ο Άρης, με τη σύγκρουση των μικρών πλανητοειδών που συγχωνεύτηκαν,  αναπτύχθηκε αρκετή θερμότητα στην επιφάνεια εξαερώνοντας έτσι τις πτητικές ουσίες, ειδικά το νερό. Συνεπώς, η πιο αρχική ατμόσφαιρα ήταν πιθανώς ατμός. Όταν όμως η επιφάνεια του Άρη ψύχθηκε αρκετά, το νερό συμπυκνώθηκε πάνω στην επιφάνεια.

Σε αυτή τη φάση, η αρχική ατμόσφαιρα θα περιλάμβανε πολύ υδρογόνο επειδή ο σίδηρος στο μανδύα αντιδρά με το νερό και παράγει τεράστια ποσά υδρογόνου σαν προϊόν που έρχεται προς την επιφάνεια. Το υδρογόνο, όμως, είναι πολύ ελαφρύ αέριο και διαφεύγει στο διάστημα. Εκείνη την εποχή, τότε που ο Άρης ήταν νέος πλανήτης, ελευθερώθηκαν από τα ηφαίστεια του Άρη κι άλλα αέρια. Για παράδειγμα διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, διοξείδιο θείου, και ίσως σχετικά μεγάλα ποσά μεθανίου. Η ατμόσφαιρα τότε θα ήταν παχιά, ίσως πυκνότερη και από τη σημερινή γήινη ατμόσφαιρα, και περιείχε κυρίως αέρια σαν το διοξείδιο του άνθρακα και το άζωτο.

Για να διαφύγει και να εξαφανιστεί η αρχική παχιά ατμόσφαιρα υπάρχουν τρεις διαδικασίες:

1. Όταν το ατμοσφαιρικό CO₂ αντέδρασε χημικά με τους επιφανειακούς βράχους και με το νερό για να σχηματίσει ένα στερεό μετάλλευμα ανθρακικού άλατος.

2. Όταν οι συγκρούσεις με αστεροειδείς ή κομήτες απομάκρυναν μακριά την ατμόσφαιρα.

3. Όταν ο ηλιακός άνεμος απογύμνωσε την ανώτερη ατμόσφαιρα.

• Οι ξερές κοιλάδες των ποταμών δείχνουν ότι ο Άρης είχε υγρό νερό στην επιφάνειά του, περίπου,  πριν από 3,6 έως 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Επειδή το υγρό νερό δεν μπορεί να υπάρξει στη σημερινή θερμοκρασία του Άρη (περίπου -60 βαθμούς Κελσίου κατά μέσον όρο), αυτό δείχνει όχι μόνο ένα πολύ παροδικό φαινόμενο, αλλά υπονοεί και μια παχύτερη ατμόσφαιρα που δρούσε προστατευτικά σαν θερμοκήπιο.
  Στη Γη, το CO₂ που ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα από τα ηφαίστεια διαλύεται στο νερό, αντιδρά με τους βράχους από πυριτικά άλατα, και σχηματίζει μεταλλεύματα ανθρακικών αλάτων, που βυθίζονται στο κατώτατο σημείο του ωκεανού.
  Στο ωκεάνιο πάτωμα, κατά τη διάρκεια πολλών χιλιάδων ετών, αυτό το στερεό υλικό συμπιέζεται και διαμορφώνει έτσι ιζηματώδεις βράχους. Μια παρόμοια διαδικασία θα είχε συμβεί και στον αρχικό, υγρό Άρη.
  Όμως αργότερα, όταν δεν υπήρχε ηφαιστειακή δραστηριότητα στον Άρη για να επαναφέρουν το CO₂  στην ατμόσφαιρα, τα ατμοσφαιρικά επίπεδα του CO₂ θα είχαν μειωθεί, η θέρμανση λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου θα είχε ελαττωθεί, και ο Άρης τότε θα είχε γίνει παγωμένος.
  Ευτυχώς, η Γη δεν έχει παγώσει επειδή η ηφαιστειακή δραστηριότητα, ως αποτέλεσμα της τεκτονικής δραστηριότητας, ανακυκλώνει συνεχώς το CO₂ πίσω στην ατμόσφαιρα σε μεγάλες χρονικές περιόδους.
  Παρά την προσδοκία για μεταλλεύματα ανθρακικού άλατος στην επιφάνεια του Άρη, το διαστημικό σκάφος Mars Global Surveyor του Άρη της NASA δεν κατόρθωσε να ανιχνεύσει αποθέματα ανθρακικών αλάτων καθαρά. Εάν όμως υπάρχουν αποθέσεις αρχαίου ανθρακικού άλατος πρέπει να ξεθαφτεί.





• Αλλά ίσως τα αποθέματα των ανθρακικών αλάτων να είναι σχετικά αραιά. Είναι πιθανό ότι το περισσότερο μέρος της πιο αρχικής ατμόσφαιρας του Άρη, ίσως περισσότερο από το 99% του CO₂ και του αζώτου, ξέφυγε προς το διάστημα.
   Αλλά, γιατί να υπάρχει τόσο λίγο άζωτο τώρα;
  Αυτό θα είχε συμβεί όταν μεγάλοι αστεροειδείς ή κομήτες συνετρίβησαν πάνω στον Άρη και τα αέρια της ατμόσφαιρας ξέφυγαν στο διάστημα μακριά από την επίδραση της ασθενούς βαρυτικής έλξης  του Άρη.
  Ξέρουμε ότι πολλά αντικείμενα συγκρούστηκαν με τον Άρη εξ' αιτίας των κρατήρων πάνω στην επιφάνειά του, που χρονολογούνται από την περίοδο του Μεγάλου Βομβαρδισμού πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Αποδείξεις επίσης υπάρχουν και από τα ισότοπα του αερίου ξένον. Το μίγμα των ισοτόπων του αερίου ξένον στην Αρειανή ατμόσφαιρα περιέχει σήμερα μια πολύ μεγαλύτερη αναλογία ¹²⁹Xe από ότι στη γήινη ατμόσφαιρα ή στον ήλιο.
  Το ισότοπο ¹²⁹Xe παράγεται από την διάσπαση του ραδιενεργού Ιωδίου-129 στο εσωτερικό του πλανήτη. Η δε μισή ποσότητα από το ιώδιο-129 διασπάστηκε σε μια περίοδο 17 εκατομμυρίων ετών.
  Για να υπερισχύσει, όμως, το ισότοπο ¹²⁹Xe, η αρχέγονη Αρειανή ατμόσφαιρα που περιείχε ένα μίγμα ισοτόπων του ξένου Xe παρόμοιο με αυτό που υπήρχε στο υπόλοιπο του ηλιακού συστήματος, θα πρέπει κατά ένα μεγάλο μέρος να διέφυγε προς το διάστημα προτού να διασπαστεί το περισσότερο από το ραδιενεργό ιώδιο μέσα στον πλανήτη προς ¹²⁹Xe.

• Μια άλλη διαδικασία που απομάκρυνε την ατμόσφαιρα του Άρη είναι ο βομβαρδισμός με ιόντα από τον ηλιακό άνεμο.
  Η ανώτερη ατμόσφαιρα ενός πλανήτη βομβαρδίζεται συνεχώς από τον ηλιακό άνεμο, ένα γρήγορο ρεύμα πολύ ελαφρών σωματιδίων που προέρχονται από τον ήλιο. Ο ηλιακός άνεμος δημιουργεί και μεταφέρει κι ένα μαγνητικό πεδίο.
  Το πεδίο αυτό παίρνει τα ιόντα από την ανώτερη ατμόσφαιρα, τα επιταχύνει, και τα αναγκάζει να συγκρουστούν έπειτα με άλλα ιόντα με ταχύτητες αρκετών χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο, αναγκάζοντας τα ιόντα να φύγουν έξω στο διάστημα. Εάν ο ίδιος ο πλανήτης έχει ένα μαγνητικό πεδίο, μπορεί να προστατεύσει την ανώτερη ατμόσφαιρα του από τον ηλιακό άνεμο.
  Εντούτοις, επειδή ο Άρης είναι ένας μικρός πλανήτης, ψύχθηκε γρήγορα έτσι ώστε το εσωτερικό μαγνητικό δυναμό του εξαφανίστηκε και έχασε έτσι το αρχικό μαγνητικό πεδίο του γρήγορα.
  Βεβαίως, το μαγνητικό πεδίο είχε εξαφανιστεί περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν σχηματίστηκε η λεκάνη Hellas, επειδή αυτό 'τρύπησε' μέσω των γραμμών του υπόλοιπου του μαγνητικού πεδίου, που ανιχνεύθηκαν από το Mars Global Surveyor. Ο βομβαρδισμός με ιόντα μπορεί να είναι υπεύθυνος για την αφαίρεση μέχρι 1 bar της αρχικής ατμόσφαιρας του Άρη.

Οποιαδήποτε όμως, κι αν ήταν η κυρίαρχη διαδικασία απομάκρυνσης της ατμόσφαιρας, όταν η ατμοσφαιρική πυκνότητα ήταν περίπου 50 φορές μεγαλύτερη από τη σημερινή, ο πλανήτης θα είχε γίνει αρκετά ψυχρός έτσι ώστε το CO₂ να καλύψει τους πόλους με ξηρό πάγο. Όταν αυτό συνέβη, το περισσότερο μέρος της ατμόσφαιρας θα είχε καταρρεύσει στα πολικά καλύμματα του πάγου για να δημιουργήσει έτσι τον ψυχρό και ξηρό Άρη που βλέπουμε σήμερα.

Τελικά, το γεγονός ότι η ατμοσφαιρική πίεση της επιφάνειας είναι σήμερα, περίπου, 6,1 millibars, που ονομάζεται το "τριπλό σημείο" του νερού κάτω από το οποίο το υγρό νερό είναι ασταθές, δείχνει ότι η ατμόσφαιρα είναι αυτοπεριορισμένη.

Εάν η ατμόσφαιρα επρόκειτο να γίνει αρκετά πυκνή, ώστε να έχουμε άνοδο της θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου θερμοκηπίου και να διευκολυνθεί το υγρό νερό να έλθει περιοδικά στην επιφάνεια, το CO₂ τότε θα αφαιρούταν με τη μορφή ανθρακικών αλάτων και θα έτεινε να φέρει την πίεση βαθμιαία κάτω προς 6,1 millibars. Αυτό το γεγονός μπορεί να είναι ο λόγος για την ιδιαίτερη τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης (και φυσικά για την πυκνότητα) στον Άρη που παρατηρούμε σήμερα.