מאדים: סיכום  ביניים של ממצאי החללית MAVEN  

התפרצויות מגנטיות, בריחת אטמוספירה והקשר בינה לבין התפרצויות שמש – כל אלה נמדדו על ידי החללית MAVEN, נתונים שעזרו לשחזר את האטמוספירה העתיקה של מאדים 

מבוא

ב – 18.11.2013 שיגרה ארה”ב את החללית MAVEN(Mars Atmosphere And Volatile Evolution ) למאדים. זאת היתה החללית הראשונה ששוגרה לכוכב לכת זה ללא מצלמות. היא נועדה להיכנס למסלול סביבו ולהתמקד בחקר האטמוספרה שלו בלבד. לאחר טיסה של עשרה חודשים ב – 21.9.2014 נכנסה למסלול סביבו. המטרות של החללית היו לחקור את האטמוספירה העליונה, למדוד את אובדן הגזים שברחו מהאטמוספרה במהלך הזמן ולספק תשובות לגבי התפתחות מזג האוויר, לבחון מה נשאר מהשדה המגנטי של המאדים ומה גרם לאובדן המים הנוזליים על פני השטח. לחקירת השדה המגנטי חשיבות רבה בחקר האטמוספרה והאינטראקציה שלה עם רוח השמש(1). סמוך למועד סיומה של תוכנית המקור הוחלט להאריך את פעילותה בשנת מאדים נוספת עמוק לתוך שנת 2018. מה שתרם להחלטה זו היו הצלחתה של תוכנית המקור ומלאי הדלק שהיה במכלי החללית אשר יכול להספיק לעוד עשר שנים (2). ב – 2018 נבדקה אפשרות נוספת. להאט את מהירות הטיסה ולהנמיך את גובה הטיסה ב – 2019 כך שאפשר יהיה להשתמש בתחנת ממסר למידע שישוגר מרכבי שטח שישוגרו בעתיד למאדים (3).

במהלך מיפוי רגיל של המאדים מדידות נעשות מגובה 6200 – 150 ק”מ מעל הקרקע. במהלך מדידות עמוקות יורדים מתחת לפריגאה של 125 ק”מ מה שמאפשר ביצוע מדידות לאורך מלוא האטמוספרה העליונה. פער זה של 25 ק”מ מאפשר מדידות עד לפסגתה של האטמוספרה התחתונה. בגובה נמוך זה, צפיפות האטמוספרה גבוהה פי 10 ויותר מאשר באטמוספירה העליונה. כאן מודדים את הקשרים בין מרכיבי האטמוספרה התחתונה לעליונה לבין החלל. הירידה הראשונה של החללית היתה ב – 18.2.2015 – 10.2.2015 . בשלושת הימים הראשונים הורדה הפריגאה. לאחר מכן באה סדרה של תצפיות חמישה סבבים של חמישה ימים כל אחד. המטרה היתה לבצע דיגום של האטמוספירה בקווי אורך שונים, מה שאפשר כיסוי כמעט מלא של המאדים (4).

רוח השמש

מצלמות האולטרה סגול צילמו עטרות ( coronas ) דקות של חמצן, מימן ופחמן המקיפות את המאדים. ההערכה היא שהחלקיקים האנרגטיים מהשמש הם כנראה הגורם המרכזי לאובדן האטמוספרה. אחרי מסעם הממושך בחלל, בהגיעם למאדים חלקיקים אלה, בפרט הפרוטונים, משקיעים את האנרגיה שלהם באטמוספירה העליונה. אירוע כזה מתרחש אחת לכמה שבועות. עטרות המימן והחמצן הן השכבות הדקות של הקצה החיצוני של האטמוספירה העליונה במקום זה מצויים האטומים שהיו חלק ממולקולות הפחמן הדו חמצני וממולקולות מים סמוך לקרקע בורחים לחלל (5).

במהלך תצפיותיה החללית גילתה זרם חלקיקים של רוח השמש שאינם מוטים הצידה במהלך כניסתם לאטמוספירה, אלא חודרים עמוק לאטמוספירה העליונה וליונוספירה. האינטראקציה עם האטמוספרה העליונה הופכת חלקיקים אלה לנייטרלים חודרת לשכבות האטמוספרה התחתונה. עמוק בתוך היונוספרה חלקיקים אלה הופכים שוב ליונים (6).

המדידות של האטמוספרה העליונה הראו שמהירות בריחת היונים מועצמת במהלך התפרצויות שמשיות, מה שיכול לרמוז לכך שאובדן האטמוספרה הוא משמעותי בהיסטוריה של המאדים.

זוהר

תופעת הזוהר אשר על כדור הארץ מופיעה בקטבים קיימת גם על המאדים, אלא שכאן היא מצויה במקומות שונים והיא נוצרת על ידי שרידי השדה המגנטי של המאדים (7). התצפיות שנעשו עד כה העידו על נוכחות של הזוהר בחצי הכדור הצפוני עד לקו המשווה. לפני עשר שנים חללית המאדים האירופית מארס אקספרס במדידות האולטרה סגול שלה בחצי הכדור הדרומי גילתה זוהר בתצורה שקיבלה את השם “מטריות מגנטיות”. הסיבה לשם זה היא ששדות מגנטיים פורצים מהקרקע כמו פטריות. ההתפרצויות הן אקראיות ובמקומות שונים. הזוהר נוצר כאשר מטחים של חלקיקים אנרגטיים מהשמש פוגעים באטמוספירה העליונה. בעקבות פגיעה זו הם יוצרים זוהר בגובה שהוא פחות מ – 100 ק”מ מהקרקע. החמצן שבאטמוספירה הוא המקור לצבע של הזוהר. אטומי החמצן המעוררים הם שיוצרים את האור הירוק (8).

בתצפיות נמצא סוג חדש של זוהר מופיע במרבית היום בלבד והוא קשה לצפייה ולזיהוי. התברר שהפרוטונים במאדים עושים במאדים את מה שעושים בכדור הארץ האלקטרונים ביצירת הזוהר. ישנם מקרים שבהם האור האולטרה סגול הבא מהמימן שבאטמוספירה העליונה בצורה לא ברורה הופך בהיר לכמה שעות ואז אירועים אלה הופכים לבהירים (brightening). החוקרים שמו לב לכך שמכשיר ה – SWIA ( solar wind ion analyzer) מודד פרוטונים מועצמים של רוח השמש. על פניו זוהר זה בלתי אפשרי. איך פרוטונים אלה עוברים דרך גל ההלם ( bow shock ) של המאדים שהוא מכשול מגנטי שבדרך כלל מטה חלקיקים טעונים של רוח השמש המקיפים את המאדים ואיך הם משחררים אור מכיון שהאטומים זקוקים לאלקטרונים לביצוע דבר זה? התברר שכאשר הפרוטונים מתקרבים למאדים ביחד עם רוח השמש הם הופכים לאטומים נייטרליים. בכך הם גונבים אלקטרונים מהצד השני של ענן מימן גדול המקיף את המאדים.

גל ההלם יכול להטות רק חלקיקים טעונים כך שאטומים נייטרליים אלה ממשיכים בתנועתם ישר. כאשר חלקיקי אטומים מהירים אלה מכים באטמוספירה חלק מהאנרגיה שלהם משתחרר באור אולטרה סגול ונראה במכשירים כמו ה – IUVS שבחללית. אטום אחד יכול להתנגש במולקולות באטמוספירה העליונה מאות פעמים לפני שהוא מאט ומפסיק להרוג פרוטונים באור אולטרה סגול. זוהר פרוטונים מופיע גם על כדור הארץ, אך לא באותה הצורה כמו על המאדים, זהו הבדל משמעותי היוצר את ההבדל. השדה המגנטי של כדור הארץ מטה את רוח השמש בזווית גדולה יותר מאשר במאדים. על כדור הארץ זוהר פרוטונים מתרחש רק באזורים קטנים וסמוך לקטבים. על המאדים הוא יכול להתרחש בכול מקום(9).

שדה מגנטי

חשיבות לימוד השדה המגנטי של המאדים נעוצה בעובדה שהמאדים איבד את השדה המגנטי שלו לפני מיליארדי שנים, מה שאפשר לרוח השמש לקרוע את האטמוספירה של ולייבש אותו. מה שנשאר כיום מהשדה המגנטי שלו הוא שדות מקומיים בקרום, שרידים של השדה המגנטי הגלובלי. מצב זה יכול ליצור כיסי אטמוספירה המוגנים מפני רוח השמש ואזורים אחרים נשארו פגיעים. מדידת מקטעים אלה של השדה המגנטי של המאדים תאפשר קבלת גם מבט רחב על האטמוספרה בכללותה (1).

אטמוספירה

על ידי מדידת האטמוספירה העליונה בוחנים איך האטומים המרכיבים שאותה בורחים לחלל. מדידות אלה תומכות בהערכה המקובלת כיום שהאטמוספירה העליונה מוחזקת על ידי כוח המשיכה החלש של המאדים. מדידות באולטרה סגול מאפשרות מיפוי גם של האוזון באטמוספירה באמצעות גילוי ספיגת אור שמש אולטרה סגול על ידי המולקולות שבה. כך מקבלים כיסוי מלא של המאדים. זה סוג של מדידה שעד היום התאפשר רק לגבי מדידות של כדור הארץ (5).

מכשירי החללית מדדו נפיצות של גזים ביונים ובתצורות ניטרליות והם גילו מבנים מוגדרים מאוד באטמוספירה העליונה וביונוספירה השונה מהאטמוספירה התחתונה בה הגזים מעורבבים זה בזה. השינויים בנפיצויות אלה לאורך זמן יאפשרו פיתוח תובנות חדשות בפיזיקה ובכימיה של אזור זה וסיפקו מידע משמעותי ביחס למזג האוויר באטמוספירה העליונה. סוג זה של מדידות לא נעשה על ידי חלליות קודמות ששוגרו למאדים. תובנות חדשות ביחס לדרך בה גזים בורחים מהאטמוספירה. מספר שעות לאחר שמכשיר ה – STATIC ( Suprathermal And Termal Ion Composition ) החל לעבוד הוא גילה פלומה קוטבית (polar plum) של יונים בורחת מכוכב הלכת. מדידה מסוג זה מאפשרת מעקב אחר קצב בריחת גזי האטמוספירה לחלל. התברר שיונים מעוררים אנרגטית בורחים מכוח המשיכה של המאדים כאשר הם נעים לאורך הפלומה שנמשכת הרחק מעבר למאדים (6).

בשתי חדירות לאטמוספירה העליונה שנעשו על ידי החללית כדי למדוד את אופי היונוספירה הבחינו במפל חומני אנכי גדול. המידע שהצטבר העיד על תערובת יציבה של פחמן דו חמצני, ארגון וחנקן דו חמצני וכמויות גדולות ממה שציפו של חמצן. הצפיפות של יסודות אלה בגובה 200 ק”מ משתנה באופן מהותי כאשר החללית מסיימת הקפה אחת. על פי הערכת החוקרים שינוי זה הוא תוצאה לגל כבידתי ( gravity wave) הנמצא באינטראקציה עם תהליכי ערבול בקנה מידה קטן המתרחש מלמטה. שינויים בשדה המגנטי ובשכבות היונים מעלים את האפשרות שגם הקרום של המאדים תורם לשדה המגנטי (7). התברר שמולקולת ואטומים בורחים מהאטמוספירה בקצב גבוה כאשר מתרחשות התפוצצויות על השמש (coronal mass ejection ) החולפות ליד המאדים ויוצרת תצורות של מוטות מגנטיים שיכולים להגיע לאורך של 5000 ק”מ ובדרכם סוחפים איתם יונים פלנטריים לחלל(10). המאדים מאבד 100 גרם של האטמוספירה כל שעה (11).

לאחר חקירת האטמוספירה העליונה במשך שנת מאדים אחת התברר שבריחת המים אינה אחידה ולא תמיד חלקה. נמצא שישנן עליות ומורדות בקצב של בריחת המימן. שיעור הבריחה היה גבוה ביותר כאשר המאדים היה בפריגאה שלו ביחס לשמש והוא נפל כאשר המאדים היה באפיגאה שלו. קצב בריחת המימן משתנה בצורה דרמטית עד לפי 10 במקסימום שלו. המימן באטמוספירה העליונה בא מאדי מים. המים באטמוספירה יכולים להתפרק על ידי אור השמש המשחרר את המימן והחמצן. קצב הבריחה של המימן יכול להיגרם מהשפעות עונתיות ומרוח השמש. (12).

התברר שבאטמוספירה העליונה ישנם אטומי מתכות טעונים. מכיון שליונים מתכתיים יש תוחלת חיים ארוכה ההערכה היתה שהם מועברים למרחקים גדולים מהאזור המקורי שלהם על ידי רוחות ניטרליות ושדות מגנטיים. אפשר להשתמש בהם כמדד לתנועה ביונוספירה. בבדיקות המשך התקבלה ההערכה שמקור המתכות הוא גשם מטאורידים זעירים עתירי מהירות הפוגעים האטמוספירה ומתאדים. אטומי המתכות שהתגלו הם ברזל. מגנזיום ונתרן. יוני המתכות מתנהגים בצורה שונה מאלה שבאטמוספירת כדור הארץ (13). הרושם המתקבל שמוצאם של אטומי המתכות הוא משני המקורות.

אבק

התגלה אבק בגבהים שבין 1000-150 ק”מ. לא מוכר שום תהליך היכול להרים ריכוז של חלקיקים מהקרקע לגובה כה רב. בהסתמך על גודל החלקיקים 5-1 ננומטר והריכוז שלהם באוויר נשללה האפשרות שמקורם בירחים של המאדים. המסקנה שהגיעו אליה היא שהמקור שלהם הוא בין כוכבי (7).

מקורות

1. Claire De Saravia – “Measuring Mars: The MAVEN Magnetometer” 28.3.2013

http://www.marsdaily.com/reports/Measuring_Mars_The_MAVEN_ Magnetometer_999.html

2. Tomaz Nowakoouski – “MAVEN spacecraft gears up observe dust storm on Mars” 23.8.2016

http://www.marsdaily.com/reports/MAVEN_Spacecraft_Gears_Up_Observe_Dust_ Storm_ On_ Mars_999.html

3. 3. Nancy Jones – NASAS’s MAVEN selfie marks four years in orbit at Mars” 24.9.2018

http://www.marsdaily.com/reports/NASAS’s_MAVEN_Selfie_Marks_Four_Years_In_ Orbit_At_ Mars_999.html

4. Nancy Neal Jons – “MAVEN completes first deep Dip campaign” 20.2.2015

http://www.marsdaily.com/reports/MAVEN_Completes_First_Deep_Dip_Campaign_999.html

5. “MAVEN spacecraft’s first look at Mars holds surprises” 16.10.2014

http://www.marsdaily.com/reports/MAVEN_Spacecraft’s_First_look_At_Mars_ Holds_ Surprises_999.html

6. ” MAVEN identifies links in chain leadings to Mars atmospheric loss” 16.2.2014

http://www.marsdaily.com/reports/MAVEN_Identifies_Links_In_ Chain_leadings_To_ Mars_Atmospheric _Loss_999.htmI

7. “Delving into the atmosphere of Mars” 6.11.2015

http://www.marsdaily.com/reports/Delving_Into_The_Atmosphere_Of_Mars_999.html

8. Tony Phillips – “Auroras on Mars” 15.5.2015

http://www.marsdaily.com/reports/Auroras_On_Mars_999.html

9. Bill Stigerwald, Nancy Jones –”NASA’s MAVEN spacecraft finds that stolen electrons enable unusual aurora on Mars” 24.7.2018

http://www.marsdaily.com/reports/NASAs_MAVEN_Spacecraft_Finds_That_Detector_ Stolen _Electrons _ Enable _Unusual_Aurora_On_Mars_999.html

10. Stuart Gary – “On Mars. Aurora takes place just anywhere, new MAVEN data reveals” 6.11.2015

http://www.abc.net.au/2015-11-06/mars-aurora-occur-almost-anywhere-new-maven-reveals/6915632?site=science/news

11. Christopher Croskett – ” A defenseless mars is losing its atmosphere” 11.11.2015

https://www.sciencenews.org/article/a-defenseless-mars-is-losing-its-atmosphere

12.”MAVEN mission observes ups and downs of water escape from Mars” 21.10.2016

http://www.marsdaily.com/reports/MAVEN_Mission_Observes_Ups_And_Downs_Of_ Water _Escape_ From_ Mars_999.html

13. “NASA’s MAVEN reveals Mars has metal in the atmosphere” 12.4.2017

http://www.marsdaily.com/reports/NASAs_MAVEN_Reveals_Mars_Has_Metal_In_The_ Atmosphere_999.html