In het amerikaanse tijdschrift Science van juni 2000 werd melding gemaakt van de opzienbarende conclusie dat er ‘recentelijk’ water over het oppervlak van Mars gestroomd heeft. Op foto’s met details kleiner dan 2 meter, gemaakt met de Mars Global Surveyor, zijn op steile hellingen talloze geulen te zien die volgens deskundigen niet anders gevormd kunnen zijn dan door water. Wanneer deze geulen ontstaan zijn in de geschiedenis van Mars is echter niet precies te zeggen. Het kan een paar miljoen jaar geleden zijn, maar net zo goed vorig jaar. Toch staat vast dat thans de druk in de marsatmosfeer niet hoog genoeg is om vloeibaar water op Mars te kunnen aantreffen. Al het aanwezige water is of bevroren, of in de vorm van waterdamp in de atmosfeer. Er moet dus iets anders aan de hand zijn. De nieuwe vondst brengt de speurtocht naar de waterhuishouding op Mars in volle gang.

Aan het eind van de 19e eeuw fantaseerde de italiaanse waarnemer Giovanni Schiapparelli, krachtig voortgezet door de amerikaan Percival Lowell en anderen, de onmiskenbare aanwezigheid van civilisaties op onze buurplaneet Mars, die ijverig kanalen groeven om het nijpend tekort aan water het hoofd te bieden. Optische illusies veroorzaakt door het beperkte scheidend vermogen van het menselijk oog speelden hen echter parten. Dit tijdperk ligt gelukkig achter ons. Door het recente ruimteonderzoek is het nu echt goed mogelijk om gedetailleerd op de planeet te kijken, en gericht te zoeken naar de aanwezigheid van water. Het belang ervan moge duidelijk zijn, immers water is een voldoende voorwaarde gebleken om leven mogelijk te maken. De opvallende overeenkomsten tussen de aarde en Mars werpen de boeiende vraag op of ooit in de geschiedenis de omstandigheden op deze planeten vergelijkbaar zijn geweest en hoe ieder hun eigen weg is gegaan. In dit artikel wordt een overzicht van de speurtocht naar water op Mars gegeven.

Vergeleken met de aarde staat onze buurplaneet anderhalf maal verderweg van de zon, en ontvangt daardoor meer dan tweemaal minder warmte en licht. Het is dus een stuk kouder op Mars. In de jaren ’70 registreerde het weerstation van de Viking 1, die geland was op ca 22 graden noorderbreedte, een temperatuurschommeling tussen zomer en winter van –30 tot –85 graden Celsius. De Viking 2, die noordelijker was geland (op 45 graden NB) mat tot –100 graden Celsius. Net als op aarde worden seizoensverschillen veroorzaakt door het scheefstaan van de rotatieas op de baan. Bij Mars is die hoek 25 graden, dus goed vergelijkbaar met de aarde. Op Mars zijn echter de seizoenen niet even lang op de beide halfronden. Dit komt door de excentriciteit van de marsbaan: de verhouding tussen de grootste en kleinste afstand tot de zon bedraagt meer dan 20%. (Bij de aarde slechts 3%.) Door de orientatie van de ellipsbaan zal in een marsjaar, van iets meer dan 1 jaar en 10 maanden, de lente op het noordelijk halfrond 194 marsdagen duren, tegen slechts 142 op het zuidelijk halfrond. Zo ook zijn op het noordelijk halfrond de zomers langer maar koeler, en de winters korter en minder koud dan op het zuidelijk halfrond. Dit verklaart ten dele het grote verschil tussen de noord- en zuidpoolkappen.

Figuur 1. De noordpoolkap in perspectief, samengesteld uit foto’s en hoogtemetingen van de Mars Global Surveyor tijdens de marslente en zomer in 1998. De diameter van de grillige ijskap is circa 650 km. In de winter zal deze bedekt worden met een dun laagje CO2 ijs dat zich uitstrekt tot 45 graden noorderbreedte, zie ook fig3.

Temperatuurmetingen door de Mariner en Viking Orbiters hebben aangetoond dat deze poolkappen niet uit hetzelfde materiaal bestaan. De permanente grillige noordpoolkap (figuren 1 en 2) met een diameter van 650 km bevat voornamelijk waterijs dat in een laag van circa 1 km dik het gebergte bedekt (zie ook Zenit april 1999).

Daar bovenop vormt zich in de winter een uitgestrekte dunne laag CO2 (1 tot 2 meter dik) die door de seizoenen heen sterk in omvang varieert. De kleinere zuidpool daarentegen met een diameter van 450 km bestaat uit een laag CO2 ijs van 3 km dik, waarschijnlijk gemengd met wat waterijs. Ook hier vormt zich in de winter een uitgebreide dunne laag bevroren CO2. Figuur 3 laat de enorme veranderingen in de omvang van de noordpoolkap zien in de loop van de lente van januari 1997.

Dat er ontegenzeggelijk water op Mars aanwezig is staat allang vast. Dit water kan echter niet in vloeibare vorm bestaan op deze planeet. Smeltend ijs gaat bij verwarming meteen over in waterdamp, een proces dat sublimatie genoemd wordt. Vrij stromend water zou ogenblikkelijk gaan koken en verdampen. Dit komt vanwege de thans aanwezige lage luchtdruk van gemiddeld 0.06 atmosfeer, vergelijkbaar met de luchtdruk op aarde op meer dan 20 km hoogte.

Schattingen van de totale hoeveelheid water op Mars lopen uiteen. De poolkappen alleen bevatten genoeg water om een planeetbedekkende oceaan met een diepte van 20 meter te vormen. (Op aarde is dat 3 kilometer, maar daar staat tegenover dat de aarde 2 maal zo groot is als Mars.)

Veel meer moet er echter als permafrost in de bodem zitten: een altijd bevroren bovenlaag van 3 tot 6 kilometer diepte, afhankelijk van het seizoen en van de breedtegraad. Modelberekeningen laten zien dat er binnen het gebied van 30 tot 40 graden aan beide zijden van de equator geen permafrost kan bestaan. In de poolgebieden is deze laag vanzelfsprekend het dikst, terwijl in de ‘gematigde’ streken de enige meters dikke laag die onstaat in de winter, zal sublimeren in de zomer.

In de atmosfeer is waterdamp slechts in een minieme hoeveelheid van gemiddeld 0.006% aanwezig, (Naast een paar procenten stikstof, argon en een heel klein beetje zuurstof bestaat de ijle atmosfeer van Mars voor meer dan 95% uit CO2. Dit gas bevriest onder de –125 graden Celsius. Ruim eenderde van de atmosfeer bevriest dan ook in de winter.) Dit is erg weinig, maar ook dit is relatief: bij de gegeven omstandigheden kan door verzadiging de atmosfeer niet meer waterdamp bevatten. Om verwarring te voorkomen: de waargenomen wolkenvorming in de marslente is dan ook van CO2 (figuur 4). voornamelijk bij de noordpool. Dergelijke wolken rond hoge bergtoppen en ochtendmist in valleien en duinen zijn ook veelvuldig waargenomen.

Zo blijkt uit alles dat er wel behoorlijk wat water op Mars aanwezig is, hetzij in de vorm van ijs, hetzij in dampvorm. Stromend water is er dus niet, maar reeds uit Mariner 9 en Viking opnames zijn talrijke aanwijzingen gevonden dat er veel meer water op Mars moet zijn geweest dan men nu kan thuisbrengen. Dit blijkt o.a. uit de twee soorten rivierbeddingen op Mars. De ene soort is uniek in het zonnestelsel: lange rivierachtige structuren (Figuur 5) die gevormd moeten zijn door plotselinge stroming van enorme hoeveelheden water.

Zeer opvallend is dat deze ‘rivieren’ van tientallen kilometers lang en honderden meters breed zomaar ergens in het verder vlakke landschap beginnen zonder een aanwijsbare bron te hebben. Plotseling vrijkomend grondwater door smelting van permafrost is een mogelijke verklaring De andere soort lijkt meer op zoals wij die op aarde aantreffen, met een uitgebreid systeem van zijarmen eindigend in een grote delta, uitmondend in het laagste gebied op Mars. Alles wijst er dus op dat er veel water moet hebben gestroomd, en te oordelen naar het relatief grote aantal kraters in dit soort landschap moet dit ver in het verleden gebeurd zijn. Schattingen lopen van 2 tot 3.5 miljard jaar geleden.

Het genoemde lage gebied waarin de droge beddingen uitmonden beslaat een groot deel van het noordelijk halfrond, en is geologisch zeer uitzonderlijk te noemen. De hoogtemeter aan boord van de Mars Global Surveyor (de zogenoemde Mars Orbiter Laser Altimeter, afgekort MOLA) kan het oppervlak van Mars met een nauwkeurigheid in de hoogte van 1 meter in kaart brengen. Hiermee heeft men beter dan ooit tevoren kunnen vaststellen dat dit lage gedeelte zo’n 5 kilometer lager ligt dan het merendeels bergachtige gebied ten zuiden ervan (figuur 6). Men heeft geopperd dat dit eens de bodem van een oceaan is geweest, ergens in het begintijdperk van Mars waarin een hogere temperatuur heerste, wellicht mede veroorzaakt door een (tijdelijk) andere stand van de precederende rotatieas ten opzichte van het eclipticavlak, maar een andere oorzaak lijkt waarschijnlijker (zie beneden).

De hypothese van vroegere oceanen op Mars is op zijn minst intrigerend te noemen, maar er is nog geen voldoende bewijsmateriaal.

Tot nu toe heeft als een der uitzonderingen de Deuteronilus kustlijn de toets der kritiek kunnen doorstaan, want het hele (enorme) omvattende gebied is vlakker dan welk ander gebied dan ook, met aan de ‘kust’ nergens een grotere afwijking dan 280 meter in de hoogte. Nog niet duidelijk is waar al dat water gebleven is, en of er genoeg toevoerwegen te vinden zijn om deze oceaan ooit te vullen. De noordpoolkap alleen bijvoorbeeld bevat 10x te weinig water om de gedachte oceaan van water te voorzien. In dit opzicht is de Chryse Planitia, de landingsplaats van de Viking 1 en de Mars Pathfinder, een zeer interessant terrein (figuur 7). Uit nauwkeurige zwaartekrachtsmetingen in combinatie met hoogtemetingen blijkt dat hier een heel stelsel van (nu grotendeels bedolven) beddingen in het landschap te traceren is (figuur 8). Dit stelsel zou aanzienlijke hoeveelheden water kunnen vervoeren. Uit deze gecombineerde metingen blijkt tevens dat onder het lage noordelijke deel van Mars een relatief dunnere korst schuil gaat dan onder het zuidelijke bergterrein.. Door een dergelijke dunne korst kan veel meer warmte naar boven gevoerd worden dan elders, hetgeen een logische verklaring kan zijn dat er daar wel vloeibaar water heeft gestaan over een geologisch gesproken langere tijd. Bodemonderzoek door nieuwe marsexpedities kunnen hier uitsluitsel over geven.

Een van de eerste nieuwe aanwijzingen dat er tegen alle verwachting in toch stromend water op Mars moet zijn geweest, en wel (geologisch gesproken) niet lang geleden, kwam van de foto getoond in figuur 9.

Aan de binnenkant van een kraterwant zijn geulen te zien met hun oorsprong juist onder het oppervlak, waar kennelijk het permafrost ontdooid is en als water naar beneden heeft gestroomd. Naarstig heeft men het marsoppervlak afgespeurd naar nog meer dergelijke watergeulen. Op de allerscherpste foto’s zijn details van 1 a 2 meter nog te onderscheiden. Op tientallen hellingen waren inderdaad zeer talrijke duidelijke geulen waar te nemen (figuur 10 en 11). Geologen zijn er over eens dat deze op dezelfde manier als op aarde gevormd worden. Door werking van het water uit de helling wordt de bovengelegen bodem ondermijnd, waardoor er zogeheten ‘alkoven’ ontstaan. Verder naar beneden zien we brokstukken en ander los gesteente dat is meegesleurd en achtergebleven.

Zeer opvallend is dat de meerderheid van deze watergeulen op de schaduwkant van de hellingen voorkomen, en niet op de zonkant.

In eerste instantie zou men denken dat die zijden juist eerder opgewarmd zouden zijn door het zonlicht, maar dit is blijkbaar niet het geval. Een mogelijke verklaring is dat aan de warmere kanten het permafrost dat naar buiten wordt geduwd en aan de buitenlucht is blootgesteld, gewoon sublimeert en dus geen sporen nalaat. Aan de koude kant daarentegen blijft het ijs langer bevroren en zal de druk van het ijs in horizontale richting steeds verder kunnen oplopen totdat het plotseling openbarst en smelt en het met kracht naar buiten stroomt, en zo de geulen vormt in de korte tijd dat het vrijgekomen water nodig heeft om te sublimeren (figuur 12). Deze interpratatie is echter nogal kwalitatief, en op zijn minst zijn modelberekeningen nodig.

Het ontbreken van kleine inslagkraters wijzen op een leeftijd van hooguit een paar miljoen jaar. In sommige gevallen ontbreekt zelfs het stof en stuifzand, dat men elders veelvuldig aantreft door circulatie in de atmosfeer. Dit zou betekenen dat deze geulen zelfs een jaar oud kunnen zijn, en nog steeds gevormd worden. Nauwlettend vergelijkend onderzoek zou dus wel eens uitsluitsel kunnen geven.

De speurtocht naar water is nu goed begonnen. Nog zeer veel gedetailleerde foto’s van de voortreffelijk werkende Mars Global Surveyor zijn in de toekomst te verwachten. Samen met de verkregen topografische informatie uit hoogte- en zwaartekrachtsmetingen zal het duidelijk kunnen worden hoe de waterhuishouding op Mars plaatsvindt. Het vroegere beeld van de planeet als ‘droog’ is duidelijk achterhaald.

Toekomstige missies zoals de NASA 2001 Mars Odyssey, Mars Surveyor 2001 Lander, de Japanse Nozomi en de ESA Mars Express, zullen fundamentele nieuwe inzichten geven als voorbereiding voor bemande missies naar onze buurplaneet Mars.

Mars Global Surveyor: http://www.msss.com

Mars Orbiter LaserAltimeter: http://ltpwww.gsfc.nasa.gov/tharsis

http://www-star.stanford.edu/projects/mgs

Movies: http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem

terug naar de tour