Marsin ”kadonnut vesi” voi olla syvällä kallioperässä

Proceedings of the National Academy of Sciences julkaistussa artikkelissa tutkijat Vashan Wright, Matthias Morzfeld (molemmat Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego, La Jolla) ja Michael Manga (Department of Earth and Planetary Science, University of California Berkeley) esittävät, että Marsin seismisistä järistyksistä tehtyjen tietokonemallinnusten mukaan vettä voisi esiintyä runsaasti syvissä kalliokerroksissa olevissa huokosissa ja ruhjeissa.

Tässä havainnekuvassa InSight -luotain Marsin pinnalla. Luotaimen seismometri sijaitsee sen vasemmalla puolella. Kuva NASA.

Mallinnus käsittää hyvin kapean pisteen NASAn Mars InSight -luotaimen alapuolelta, perustuen luotaimen tekemiin seismisiin mittauksiin neljän vuoden aikana vuosina 2018 – 2022. Vesimäärää arvioidessaan tutkijat tekevät rohkean oletuksen, että jos kallioperän rakenne on samanlainen koko Marsissa, vesimäärä voisi peittää koko planeetan noin kilometrin vahvuiseen vesikerrokseen.

InSight’n havaintopaikalla kallioperän viisi ensimmäistä kiloteriä on hyvin kiinteää ja kuivaa kalliota. Se alapuolella noin 11,5 – 20 km syvyydessä kallioperä on huokoista ja ruhjeista basalttia, jonka huokosiin vesi olisi voinut kertyä. Seimisten mittausten tulkitseminen tukee tätä ajatusta. Vulkaaniset kivilajit, niiden mukana myös basaltti, ovat hyvin usein huokoisia johtuen magmaan (kivisula) liuenneista kaasuista ja vedestä. Magman kohotessa kallioperän syvyyksistä sen hydrostaattinen paine vähenee ja mahdollistaa lauenneiden kaasujen erottumisen kivisulasta. Vapautuessaan kaasu muodostaa erikokoisia kuplia (huokosia) kuin vishy-pulloa avatessa, jotka myöhemmin voisivat täyttyä vedellä.

Marsin kallioperän vesivarantojen hyödyntäminen voi kuitenkin olla vaikeaa, sillä poraustekniikka ei mahdollista (vielä) poraamista tarvittavaan syvyyteen. Maapallolla syvin kairattu reikä on vuonna 1971 aloitettu ja vuonna 1992 päättynyt Kuolan niemimaalle Petsamo-tunturiin kairattu 12,264 km syvyinen reikä. Tässä syvyydessä paine ja lämpötila ovat niin suuria, että kallio muuttuu plastiseksi. Tästä syystä syvemmälle ulottuvat kairaukset ovat mahdottomia. Marsissa plastisuusraja ja lämpötila voivat olla toisenlaisia, joten porakaivon kairaaminen ja veden pumppaaminen voisi olla mahdollista, jos ja kun joskus Marsiin perustetaan siirtokuntia.

Marsissa on paljon helpommin saavutettavissa olevia vesivaroja. Etelänavan läheisyydessä on useamman kilometrin paksuinen jäätikkö, joka pääosin on vettä. Jäätiköstä sulattamalla saadaan riittävästi vettä isonkin siirtokunnan tarpeisiin. Kyse on kuitenkin teknisesti vaativa, sillä jään sulattaminen vaatii runsaasti energiaa.

Muuallakin Marsissa on paikka paikoin pinnanalaisia jäätiköitä, joiden hyödyntäminen on mahdollista. Ovatko ne riittävän lähellä niitä alueita joihin siirtokuntia haluttaisiin perustaa, on kokonaan toinen juttu.

Marsin veden historia tunnetaan kohtuullisen hyvin. Marsin ilmakehä oli yli 3 miljardia vuotta sitten paksumpi ja silloin arvellaan planeetan pinnalla olleet olosuhteet sellaisiksi, että nestemäisen veden esiintyminen oli mahdollista. Marsin jäähdyttyä ja magneettikentän heiketessä ja lopulta kadotessa, aurinkotuuli vei mennessään niin ilmakehän kuin ison osan vedestä. Nykyisin ilmakehästä on jäljellä vain vähäiset rippeet ja vesihöyryäkin esiintyy ilmakehässä vain sen verran, että se on vaivoin havaittavissa. Muistoina muinoin vallinneista lämpimimmistä ja kosteammista olosuhteista Marsin pinnalla on edelleen jälkiä jokiuomista, järvistä, jopa pohjoisella pallonpuoliskolla olevasta merestä, sedimenteistä ja maaperän kerrostumista. Sen sijaan pinnan alla olevat vesivarastot ovat voineet säilyä muuttumattomina meidän päiviimme asti.

Aina kun aiheena on vesi toisilla taivaankappaleilla kuin Maassa, esiin nousee kysymys mahdollisesta elämästä näissä paikoissa. Näin tälläkin kertaa. Tutkijat kuitenkin ennakoivasti painottavat, että he eivät väitä löytäneensä elämää Marsista, vaikkakin senkin mahdollisuutta tutkijoilta kysyttiin. Maapallolla elämä perustuu veteen ja sen kiertoon ja vaikka luultavasti se on muuallakin perusehto, kaikki tästä eteenpäin on pelkkää spekulaatiota. Elämän ei kuitenkaan tarvitse perustua veteen, sillä ainakin teoreettisella tasolla monet muutkin liuottimet saattavat ylläpitää elämän kiertokulkua. Elämän syntyminen muunlaisiin olosuhteisiin on melko varmasti hyvin paljon vaikeampaa kuin veteen perustuen, joten tutkijoiden kannattanee sijoittaa käytettävissä olevat resurssinsa juuri vesipitoisiin paikkojen tutkimiseen.

 

 

NASAn InSight-luotain hiljeni

NASAn Jet Propulsion Laboratoryn (JPL) lennonjohtajat eivät ole saaneet yhteyttä laskeutujaan kahden peräkkäisen yrityksen jälkeen, minkä vuoksi he päättelivät, että avaruusaluksen aurinkoenergialla toimivista akuista oli loppunut energia.

InSight:n viimeinen selfie 24. huhtikuuta 2022. Luotain on peittynyt paljon enemmän pölyyn kuin joulukuussa 2018, pian laskeutumisen jälkeen otetussa ensimmäisessä selfiessä – tai sen toisessa selfiessä, joka otettiin maalis- ja huhtikuussa 2019. Kuva NASA.

NASA oli aiemmin päättänyt julistaa operaation päättyneeksi, jos laskeutuja epäonnistuu kahdessa viestintäyrityksessä. Virasto jatkaa luotaimen signaalin kuuntelemista varmuuden vuoksi, mutta sen kuulemista tässä vaiheessa pidetään epätodennäköisenä. Edellisen kerran InSight oli yhteydessä Maahan 15. joulukuuta.

InSight on lyhenne sanoista Interior Exploration with Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Luotaimen tehtävä oli havaita Marsin sisöisan syviä rakenteita. Laskeutujatiedot ovat tuottaneet tietoja Marsin sisäkerroksista, sen vaimentuneen magneettidynamon pinnan alla olevista yllättävän vahvoista jäännöksistä, laskeutumisalueen säästä ja havaita Marsin järistystoimintaa.

Luotaimen erittäin herkkä seismometri yhdessä ranskalaisen avaruusjärjestön Center National d'Etudes Spatialesin (CNES) ja ETH Zürichin hallinnoiman Marsquake Servicen päivittäisen valvonnan kanssa havaitsi 1 319 maanjäristystä, mukaan lukien meteoroidien törmäyksistä aiheutuneet järistykset.

Tällaiset vaikutukset auttavat tutkijoita määrittämään planeetan pinnan iän, ja seismometrin tiedot tarjoavat tutkijoille tavan tutkia planeetan kuorta, vaippaa ja ydintä.

Seismometri oli viimeinen havaintoinstrumentti, joka pysyi päällä, kun luotaimen aurinkopaneeleille kerääntynyt pöly vähensi vähitellen sen energiaa.

Kaikki marstehtävät kohtaavat haasteita, eikä InSight ollut poikkeus. Luotaimen marsperään kaivautuva sondi – lempinimeltään "myyrä”, oli tarkoitus tunkeutua noin 5 metrin syvyyteen. Se veti perässään useita antureita sisältänyt nauha, joka olisi mitannut planeetan sisältä tulevaa lämpöä. Näistä mittauksista tutkijat olisivat laskeneet energian määrän, joka on jäljellä Marsin muodostumisesta.

Muilla lennoilla nähtyä löysää hiekkaista maaperää varten suunniteltu myyrä ei pystynyt kuitenkaan saamaan pitoa InSightia ympäröivässä yllättävän tiiviistä marsperästä. Saksan ilmailukeskuksen (DLR) toimittama instrumentti onnistui tunkeutumaan lopulta noin 40 cm pinnan alle, keräten arvokasta tietoa Marsin maaperän fysikaalisista ja lämpöominaisuuksista matkan varrella. Tästä on hyötyä kaikissa tulevissa ihmis- tai robottitehtävissä, jotka yrittävät kaivautua pinnan alle.

Myyrän saatiin tungettua niin pitkälle kuin mahdollista, kiitos JPL:n ja DLR: n insinöörien, jotka käyttivät laskeutujan robottikäsivartta vasarana. Pääasiassa instrumenttien asettamiseen Marsin pinnalle tarkoitettu käsivarsi ja sen pieni kauha auttoivat myös poistamaan pölyä InSightin aurinkopaneeleista tehon vähentyessä.

NASA/JPL hallinnoiman InSightia kehittelyssä ja toiminnan valvomisessa oli mukana useita eurooppalaisia toimijoita:

CNES ja Saksan ilmailukeskus (DLR). CNES toimitti Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS) -instrumentin, jonka päätutkija tuli IPGP:stä (Institut de Physique du Globe de Paris). IPGP:ltä tuli myös merkittävä panos SEIS-järjestelmään. Myös Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) Saksassa; Sveitsin liittovaltion teknologiainstituutti (ETH Zurich) Sveitsissä; Imperial College London ja Oxford University Yhdistyneessä kuningaskunnassa olivat mukana laitetoimittajina. Lisäksi DLR toimitti Heat Flow and Physical Properties -paketin (HP 3), jossa oli merkittävä panos Puolan tiedeakatemian avaruustutkimuskeskuksella (CBK) ja Puolan Astronikalta, sekä espanjalainen Centro de Astrobiología (CAB) toimitti sääaseman lämpötila- ja tuulianturit.

Marsin sisäinen rakenne avautuu

NASAn marsluotain Insight, joka laskeutui Marsiin^[1], on tuottanut seismotrillään tietoja Marsissa tapahtuvista järistyksistä. Insight on ensimmäinen luotain, jonka tutkimusinstrumentteihin on seismometri sisällytetty.

Marsissa tapahtuu järistyksiä melko usein. Kuva NASA.

Vaikka Marsin järistykset ovat heikkoja (< 4 magnitudia), niitä kuitenkin tapahtuu suhteellisen runsaasti. Kahden vuoden havaintoaikana Insight on kerännyt havaintoja 733 järistyksestä, joista 35 on ollut riittävän voimakkaita tutkijoiden tarpeisiin. Tutkimus jatkuu edelleen, joten lähivuosina on odotettavissa uusia ja vielä tarkempia tuloksia, mutta jo tähän asti saadut tulokset ovat olleet käänteentekeviä.

Merkittävimmät havainnot ovat ensinnäkin se, että Marsin kova pinta ulottuu 24 – 72 km syvyyteen. Tulos on hieman ohuempi kuin mitä odotettiin, mutta se on merkittävästi paksumpi kuin mitä vastaava pintakerros on Maassa (15 – 20 km). Vain Himalajan alueella kuorikerroksen paksuus on noin 70 km.

Pintakerroksen alla on mantteli, joka näyttäisi olevan varsin yhtenäinen kivikerros ja se ulottuu 1560 km syvyyteen. Siinä voi olla joitakin rakenteita, mutta luultavasti ne ovat niin heikkoja, etteivät näy nyt käytettävissä olevassa datassa. Täytyy muistaa, että Insight’in magnetometri on yksi ainoa käytettävissä oleva laite, joten tarkkuudessa ja havaintojen kattavuudessa on vielä toivomisen varaa.

 

Käsitys Marsin sisäisestä rakenteesta on muutunut hieman aikaisempaan verrattuna. Merkittävä havainto on sulan ytimen koko, joka on suurempi kuin mitä aikaisemmin arvioitiin. Kuva Kari A. Kuure/NASA.

 

Seuraava merkittävä havainto on Marsin ytimen koko. Sen säde näyttäisi olevan peräti 1830 km, joka on merkittävästi suurempi kuin mitä aikaisemmin on arvioitu. On myös huomattava, että tämä ydin näyttäisi olevan sula. Aikaisemmissa arvioissa sen on arvioitu olevan vähintäänkin jähmeä, ellei aivan kiinteä. Laajempi sulaydin merkitsee myös sitä, että sen täytyy olla tiheydeltä aikaisempia arvioita matalampi. Ydin on rautaa ja nikkeliä mutta siihen on sekoittuneena merkittävästi myös rikkiä tai jotain muuta kevyempää ainetta.

Painelaskelmat osoittavat, että paine ei ole riittävä, jotta mineraali nimeltään brigmaniitti pysyisi vakaana. Näyttää siis siltä, että ytimen ympäriltä tämän mineraalin kerros puuttuu kokonaan. Maapallolla tällä kerroksella on suuri merkitys, sillä se hidastaa konvektiota ja toimii lämmön eristeenä. Marsissa kerroksen puuttuminen on mahdollistanut nopean jäähtymisen. Nopea jäähtyminen puolestaan on johtanut konvektion hidastumisen ja siten myös mahdollisen globaalin magneettikentän menetykseen. Niinpä nykyisellä Marsilla ei ole voimakasta magneettikenttää, joka estäisi ilmakehän karkaamisen. Magneettikenttä suojaisi myös jonkin verran kosmiselta säteilyltä.

Maapallolla mannerlaattojen liikkeet toistensa suhteen aiheuttaa kallioperään jännitteitä, jotka purkautuvat maanjäristyksinä. Marsissa pintakerros on yhtä ja samaa laattaa, joten järistysten syyt ovat myös erilaisia. Suurimpana syynä järistyksiin pidetään Marsin laatan vähäisen jäähtymisen aiheuttamaa kutistumista. Suurin ja merkittävin järistysalue on Cerberus Fossae, jonka arvellaan olevan riittävän vulkaaninen vielä nykyisinkin. Sen sijaan Tharsiksen aluella, jossa sijaitsevat mm. kolme suurta tulivuorta, ei näytä järistyksiä tapahtuvan. Tämä voi johtua siitä, että Insight on varjovyöhykkeellä, johon Tharsiksen alueen järistykset eivät heijastu. Useammalla seismometrillä tämäkin alue tulisi katettua, joten lisää uutisia tälläkin tutkimusalueella on varmasti Marsista tulossa.

Insight’in havaitsemat järistykset ovat siis olleet hyvin heikkoja. Se ei kuitenkaan tarkoita sitä, että Marsissa ei koskaan esiintyisi voimakkaampia järistyksiä. Insight’in havaintoaika on ollut vasta pari vuotta, joten on luultava, että tässä ajassa ei välttämättä kovinkaan isoa järistystä esiinny. Jos ja kun havaintoaika pitenee, todennäköisyys suuremman järistyksen havaitsemiselle kasvaa.

 

Huomautukset

[1] Insight laskeutui Marsiin Elysium Planitian alueella 26.11.2018.

 

Insight kokoonpanohallissa. Sen keskellä näkyvä "kupu" on seismometri, joka laskeutumisen jälkeen nostettiin Marsin pinnalle. Kuva JPL/NASA.