De stofwervelingen die zich vormen en over het oppervlak van Mars voortbewegen, trekken al jaren de aandacht van wetenschappers. Nu heeft een team van onderzoekers beelden van meer dan duizend van deze wervelingen, verzameld door de sondes Mars Express en ExoMars TGO van de ESA, gebruikt om te ontdekken dat de Marswinden sneller zijn dan we dachten.
De auteurs hebben met behulp van kunstmatige intelligentie (AI) en deep learning-technieken 1.039 stofwervelingen onderzocht die tussen 2004 en 2024 hebben plaatsgevonden en publiceren de resultaten woensdag in het tijdschrift Science Advances. Daarvoor hebben ze de banen, afmetingen en snelheden van deze Marswervelingen gemeten en daaruit iets afgeleid dat tot nu toe onzichtbaar was op Mars: het gedrag van de winden op mondiaal niveau en met de wisseling van de seizoenen.
Het team onder leiding van Valentin Bickel van de Universiteit van Bern in Zwitserland heeft voor het eerst gedetailleerd gedocumenteerd hoe horizontale winden dicht bij het oppervlak de opwaartse beweging van stof en het ontstaan van wervelingen beïnvloeden, en hoe deze seizoensgebonden variëren. Deze informatie kan nuttig zijn voor planetaire verkenning.
Bij het volgen van de snelheid van de stofwervelingen hebben de onderzoekers windsnelheden tot 44 m/s (158 km/u) gemeten. Dat is sneller dan ooit gemeten is door verkenningsvoertuigen op het land (rovers), hoewel de auteurs erop wijzen dat de Marsatmosfeer zo ijl is dat een mens een wind van 100 km/u op Mars nauwelijks zou merken.
In de meeste gevallen verplaatsten de stofwervelingen zich met een hogere snelheid door het landschap dan de huidige weermodellen voor Mars voorspellen. En op plaatsen waar de windsnelheid hoger is dan verwacht, is het mogelijk dat er veel meer stof van de grond wordt opgewaaid dan we dachten.
De wind zichtbaar maken
Door de ontwikkeling, de duur en de ernst van stofwervelingen te onderzoeken, kunnen wetenschappers achteraf werken om meer te weten te komen over de dynamiek van de winden op de planeet en te anticiperen op de gevaren die ruimtevaartuigen kunnen tegenkomen.
Stofwervelingen maken de wind, die normaal gesproken onzichtbaar is, zichtbaar. Door hun snelheid en bewegingsrichting te meten, zijn we begonnen met het in kaart brengen van de wind over het hele oppervlak van Mars
“Stofwervelingen maken de wind, die normaal gesproken onzichtbaar is, zichtbaar”, legt Bickel uit. “Door hun snelheid en bewegingsrichting te meten, zijn we begonnen met het in kaart brengen van de wind over het hele oppervlak van Mars. Dit was voorheen onmogelijk omdat we niet over voldoende gegevens beschikten om dit soort metingen op wereldwijde schaal uit te voeren.”
Net als de aarde heeft Mars seizoenen. De catalogus benadrukt ook dat stofwervelingen vaker voorkomen in de lente en zomer op elk halfrond. Ze duren enkele minuten en komen meestal overdag voor, met een piek tussen 11.00 en 14.00 uur lokale zonnetijd. Dit lijkt sterk op wat we op aarde zien, waar stofwervelingen het meest voorkomen in droge en stoffige gebieden aan het einde van de ochtend en het begin van de middag tijdens de zomermaanden.
De planeet van de “eeuwige nevel”
Ricardo Hueso, hoogleraar natuurkunde aan de UPV-EHU en specialist in planetaire wetenschappen, herinnert eraan dat deze wervelingen op aarde op een vergelijkbare manier ontstaan. “Wanneer de zon het oppervlak van Mars verwarmt, zorgt het temperatuurverschil tussen het oppervlak en de lucht ervoor dat er opwaartse stromingen ontstaan, die een cirkelvormige beweging kunnen maken en stof van het oppervlak kunnen opwaaien”, legt hij uit aan. Voor Hueso is het interessant dat de auteurs door te observeren hoe deze wervelingen zich bewegen, in staat zijn geweest om de windsnelheden aan het oppervlak te meten, die zeer intens zijn.
“Voertuigen zoals de Perseverance hebben een windsensor, in dit geval het in Spanje geproduceerde weerstation MEDA”, benadrukt Hueso. “En deze windsensoren hebben systematisch nooit zulke hoge snelheden kunnen registreren, maar eerder snelheden in de orde van 85 km/u.” Omdat de dichtheid van de atmosfeer erg laag is, zouden deze winden een rover niet kunnen meesleuren, maar wel schade kunnen veroorzaken, omdat ze enorme hoeveelheden stof kunnen doen opwaaien, vertelt hij. “Dit resultaat toont aan dat de omstandigheden op Mars het opwaaien van stof bevorderen en verklaart gedeeltelijk waarom de atmosfeer altijd bedekt is met deze stormen, waardoor de planeet een soort eeuwige zandstorm is geworden.”
Jorge Hernández Bernal, onderzoeker aan de Sorbonne en betrokken bij de missies Mars Express en TGO, is van mening dat de belangrijkste wetenschappelijke bijdrage van deze studie het meten van de Marswinden in een groot aantal verschillende regio’s en periodes van het jaar is. “Winden zijn een van de belangrijkste variabelen voor het kalibreren van klimaatmodellen, dus de gegevens die dit onderzoek oplevert, zijn zeer nuttig”, zegt hij. Aan de andere kant is stof de sleutel in de atmosfeer van Mars, omdat het zonlicht absorbeert en zo de temperatuur reguleert. “De hoeveelheid stof die in de lucht zweeft, de hoogte waarop het zich bevindt en de verspreiding ervan beïnvloeden de hele dynamiek van de planeet, tot het punt dat een stofstorm een waarneembare invloed kan hebben op de atmosferische patronen aan de andere kant van de planeet”, benadrukt hij.
José Antonio Rodríguez Manfredi, onderzoeker bij het Centrum voor Astrobiologie (INTA-CSIC), die heeft meegewerkt aan het ontwerp van de instrumenten die de windsnelheid op Mars meten vanaf de rovers, erkent dat de dekking die de auteurs van deze studie vanaf satelliet hebben gemaakt een groter gebied bestrijkt, hoewel kleine verschijnselen daardoor verloren gaan. “Het interessante is de complementariteit met wat wij vanaf het oppervlak kunnen doen”, zegt hij. “Het registreren van gebeurtenissen vanaf het oppervlak geeft veel informatie over de startmechanismen, de fysische dynamica van de gebeurtenis zelf, schattingen van de hoeveelheid opgewaaid stof, de grootte van de deeltjes… Een aanvullende studie met de gegevens van dit werk kan interessant zijn.”
Astrofysicus Iñaki Ordóñez-Etxeberría, specialist in Marswervelingen, vindt dit een zeer relevant onderzoek, dat gebruikmaakt van het kleine tijdsverschil tussen de verschillende kleurkanalen van de camera, waardoor beweging kan worden gedetecteerd. “Dankzij dat verschil is het mogelijk om de verplaatsing van het stof in elk beeld te meten en de windsnelheden aan het oppervlak te berekenen”, zegt hij. Hij is het met Rodríguez Manfredi eens dat deze orbitale benadering een perfecte aanvulling vormt op wat we vanaf de grond weten dankzij de REMS- en MEDA-stations aan boord van de rovers Curiosity en Perseverance. “Met deze globale studies vanuit de baan wordt het plaatje compleet: we gaan van individuele gevallen naar globale patronen, van anekdotes naar het systeem”, benadrukt hij.
Ten slotte benadrukt de deskundige dat stofwervelingen, hoewel het vluchtige en lokale verschijnselen zijn, een belangrijke klimatologische rol spelen op Mars. “Ze injecteren stof in de atmosfeer, wat de temperatuurprofielen verandert, de vorming van wolken bevordert en bijdraagt aan het verlies van water aan de ruimte”, zegt hij. “Het zijn veelvoorkomende meteorologische verschijnselen op Mars, ze zijn energiek en komen overal op de planeet voor, hoewel ze, zoals deze studie aantoont, niet homogeen zijn. Het is essentieel om ze te begrijpen om het klimaat op Mars goed te kunnen modelleren, en bovendien zijn ze visueel spectaculair.”
