Bariera nad Marsem ogranicza mieszanie atmosfery

Atmosfera Marsa to naturalne laboratorium atmosfery planetarnej. Pył i para wodna współdziałają tam z cyrkulacją, klimatem i powierzchnią. Pył pochłania i rozprasza promieniowanie, zmieniając temperaturę i krążenie powietrza. Para wodna wiąże atmosferę z czapami polarnymi i długoterminowym bilansem wody. Obserwacje pokazują wyraźnie niejednorodny rozkład tych składników w skali planety. Nie było jednak spójnego mechanizmu, który by go wyjaśniał.

Zespół z południowochińskiego uniwersytetu SUSTech (Southern University of Science and Technology) zastosował metodę śledzenia cząstek w ujęciu Lagrange’a, czyli podążania za cząstkami unoszonymi przez przepływ atmosferyczny. Wyniki opublikowano w „Nature Geoscience”.

Zapora na brzegu cyrkulacji

Pierwszy wniosek dotyczy samego brzegu planetarnej cyrkulacji Hadleya, w której powietrze unosi się w strefie równikowej i opada w wyższych szerokościach. Granica ta tworzy dynamiczną barierę dla transportu materii. W ciągu 30 dni ziemskich tylko około 15 proc. cząstek wypuszczonych wewnątrz cyrkulacji i około 20 proc. tych wypuszczonych na zewnątrz potrafi ją przekroczyć. Taki stan utrzymuje się przez około 80 proc. roku marsjańskiego. W pozostałych mniej więcej 20 proc. czasu struktura słabnie do dwóch słabszych komórek o innym wzorcu izolacji.

Telepołączenie biegunów

Drugi wynik jest jeszcze bardziej zaskakujący. Ponad komórką Hadleya autorzy znaleźli telekoneksję między obszarami polarnymi obu półkul: cząstka może w ciągu 10 dni ziemskich przenieść się z wysokich szerokości półkuli letniej na wysokie szerokości półkuli zimowej. Analiza wymiarowa wskazuje, że szybki obrót Marsa pozwalałby na powstawanie wirów podobnych do ziemskich, ale rozrzedzona atmosfera wchodzi w stan równowagi radiacyjnej tak szybko, że te wiry są skutecznie tłumione. Transport na Marsie odbywa się więc głównie wzdłuż średniego przepływu, inaczej niż na Ziemi, gdzie dominują wiry. Wenus także ma przepływ średni, lecz jej silna superrotacja zamyka transport w wąskich pasmach szerokości.

Ma to konkretne konsekwencje. Rozdzielenie pyłu i pary wodnej może tłumić powstawanie lodów wodnych, a więc zmieniać bilans radiacyjny i obieg wody. Składniki przetworzone fotochemicznie w górnych warstwach są dostarczane wprost nad biegun zimowy. W dłuższej skali taki wzorzec sprzyjałby osadzaniu się wody i jej izotopów, na przykład półciężkiej wody, wyłącznie na wysokich szerokościach. Ucieczka atmosfery dodatkowo modyfikowałaby zasoby wody na planecie. To nie koniec pytań, ale pierwszy spójny obraz tego, jak planeta o cienkiej atmosferze filtruje własny transport.