Het ijs lijkt gebroken...
Mars Odyssey vindt water(stof) in bevroren Marsbodem

De speurtocht naar water op Mars kent een lange voorgeschiedenis. In 1877 richtte de toen al befaamde Italiaanse sterrenkundige Giovanni Schiaparelli zijn telescoop op de planeet, om vast te stellen dat op het oppervlak allerlei rechte donkere lijnen te zien waren die de al eerder ontdekte donkere plekken op Mars met elkaar leken te verbinden. Hij noemde deze lijnen canali, een woord dat verschillende betekenissen kan hebben.
Met name de Angelsaksische lezers was het ontgaan dat canali niet per se ‘kanalen’ betekent – Schiaparelli beschouwde ze aanvankelijk als natuurlijke structuren. En voor kanalen heb je kanalenbouwers nodig: de mythe van de Marsmannetjes was geboren. Het duurder niet lang of in de gedachtewereld van sciencefictionschrijvers – en sommige astronomen, zoals de Amerikaan Percival Lowell – ontstond een complete Martiaanse beschaving die zich op de kurkdroge planeet in stand trachtte te houden door (smelt)water van de polen middels irrigatiekanalen naar de (minder koude) gebieden rond de evenaar te laten stromen. Dat paste heel goed in het tijdsbeeld, want in 1869 was in Egypte het 171 kilometer lange Suezkanaal gereed gekomen.
De irrigatiegedachte werd gesteund door de waarneming dat er op Mars duidelijke seizoenswisselingen te zien zijn. Op het zuidelijke halfrond verschijnen in de zomermaanden donkere, blauwgroene gebieden die zich in de winter weer terugtrekken. En ook de vermeende kanalen leken van vorm te veranderen, waardoor het leek alsof de waterbouwkundige werkzaamheden nog in volle gang waren. Op de Marskaart die Lowell in 1908 publiceerde waren maar liefst 437 ‘kanalen’ te zien.

Stof tot nadenken

Achteraf is iedereen wijs. We weten nu dat de canali van Schiaparelli op gezichtsbedrog berustten en dat de kleiner wordende donkere gebieden door stofstormen werden veroorzaakt. Daarbij moeten we bovendien aantekenen dat ook in die tijd lang niet iedereen geloofde in al die natte Marsdromen. Het was in feite niet meer dan een stuiptrekking van de alom aanvaarde gedachte dat maan en planeten bewoond zijn – een idee dat in de twintigste eeuw geleidelijk verpieterde.
Betere telescopen, geavanceerdere meetinstrumenten en ten slotte het begin van het ruimtevaarttijdperk leken korte metten te maken met het idee dat er op Mars water is – over leven werd eigenlijk door niemand meer serieus nagedacht. Toen in 1965 de ruimtesonde Mariner 4 uiteindelijk de eerste nabije opnamen van Mars naar de aarde zond, leek een teleurstellende conclusie onvermijdelijk: de foto’s toonden een droge, stoffige kraterwereld die meer op de maan leek dan op onze thuisplaneet.
Inmiddels denkt men ook te weten hoe dat komt: het heeft waarschijnlijk te maken met de geringe omvang van Mars. Hij is twee keer zo klein als de aarde en heeft dus een acht keer zo klein volume. Dat laatste heeft ertoe geleid dat Mars al vroeg in zijn bestaan – vier miljard jaar geleden – geheel is afgekoeld, waardoor ook de vloeibare ijzerkern, die de planeet waarschijnlijk wel heeft gehad, gestold is. Hierdoor is er geen planeetomvattend magnetisch veld meer en heeft zich op Mars geen platentektoniek afgespeeld.
Waar het magnetische veld de moleculen in de hoge atmosfeer van de aarde beschermde tegen de zonnewind, werd er voortdurend aan het vluchtige omhulsel van Mars geknaagd. De neutrale atomen hoog in de Marsatmosfeer werden geïoniseerd en versneld door het magnetische veld dat de zonnewind met zich mee voert. Deze versnelde ionen zouden vervolgens atomen en moleculen uit de atmosfeer hebben ‘weggeketst’. Een ander proces dat waarschijnlijk een rol heeft gespeeld is het verlies van atmosferische gassen ten gevolge van de inslagen van (grote) meteorieten. Door zijn geringe omvang heeft Mars ook een geringe aantrekkingskracht, en zullen gasdeeltjes er veel makkelijker ontsnappen dan op aarde. De explosies die met inslagen gepaard gaan kunnen een aanzienlijk deel van de atmosfeer hebben weggeblazen.
Hoe het ook geweest zij: in betrekkelijk korte tijd raakte Mars zijn beschermende dampkring van (vermoedelijk) kooldioxide en methaan kwijt. En door het verdwijnen van deze beide broeikasgassen zakten ook de temperaturen op de planeet, die zich toch al anderhalf keer zo ver van de zon bevindt dan de aarde, tot ver onder het vriespunt van water.
Sinds een jaar of veertig is bekend dat de luchtdruk op Mars nog maar 6 à 8 hectopascal bedraagt, hetgeen ruim honderd keer zo gering is als de druk op aarde. Vloeibaar water kan bij zo’n lage druk niet meer bestaan: zodra de temperatuur boven het vriespunt komt, gaat eventueel bevroren water bij smelting gelijk in waterdamp over. Het staat dus al geruime tijd vast dat er op Mars nu geen vloeibaar water kan zijn.

Sprankjes hoop

Bovenstaand scenario voor de evolutie van Mars geeft weer hoe men de laatste dertig jaar over de planeet is gaan denken. Weliswaar lieten de beelden van de Mariners 4, 6 en 7 erg weinig ruimte voor optimisme, maar daarin kwam in 1971 verandering. Eind dat jaar bracht de ruimtesonde Mariner 9 voor het eerst grotere delen van Mars in kaart. En daarbij werden alle beroemde geologische structuren op de planeet ontdekt die elke Marskenner nu wel kan dromen: de reusachtige schildvulkanen, waaronder de 26 kilometer hoge Olympus Mons (waarvan de bewolkte top al door Schiaparelli was waargenomen), de 4000 km lange en plaatselijk 200 km brede Valles Marineris (Mariner-vallei) en last but not least de talrijke kleinere kronkelige, vertakte structuren, zoals Nirgal Vallis, die sterk aan opgedroogde rivierbeddingen doen denken. Bovendien ontdekte men dat bijna het hele noordelijke halfrond van Mars een stuk lager ligt en minder bekraterd is dan de zuidelijke helft. Was dit misschien het spaarbekken van een voormalige oceaan?
Sommige van de kronkelige ‘rivierbeddingen’ op Mars zouden door lavastromen kunnen zijn veroorzaakt, net als hun soortgenoten op bijvoorbeeld de maan. Maar veel Marsonderzoekers zijn ervan overtuigd dat andere wel degelijk door vloeibaar water zijn uitgesleten, in een tijd dat de atmosfeer van Mars nog dichter was en het kwik op de planeet tot grotere hoogte steeg.
Het sprankje hoop was in elk geval groot genoeg om in 1976 twee grote Marslanders op de planeet te laten neerdalen, met aan boord instrumenten waarmee (microscopisch) leven zou kunnen worden opgespoord. Veel onderzoekers waren zich er op het moment van lanceren echter al van bewust dat de kans van slagen van het project heel erg klein zou zijn. De experimenten die de Vikinglanders zouden gaan doen waren eigenlijk nog gebaseerd op het oudbakken idee dat de luchtdruk op Mars voldoende hoog was om smeltend poolwaterijs tot iets vanzelfsprekends te maken. Daarvan was natuurlijk geen sprake, en de uitkomsten van het Vikingonderzoek waren bovendien nogal warrig. Uiteindelijk wist men ongeveer net zo veel als voorheen, al had het project fraaie plaatjes van het Marsoppervlak opgeleverd.

Jaren negentig

Onbedoeld werd het Viking-project het voorlopige hoogtepunt van het Amerikaanse Marsonderzoeksprogramma. Pas in 1992 werd een nog omvangrijkere Marssonde gelanceerd, maar deze Mars Observer ging in 1993 roemloos ten onder, mogelijk doordat er een explosie in een van de brandstoftanks had plaatsgevonden.
Sindsdien doet men het wat rustiger aan. De huidige generatie Marssondes is van geringere omvang: de vier sondes die in de periode 1997-1999 gelanceerd werden kostten tezamen ongeveer evenveel als hun vergane voorganger. Dat twee van de vier op een complete mislukking uitdraaiden, is dan een aanvaardbaar verlies: de successen van de Mars Pathfinder en de Mars Global Surveyor hebben er in elk geval toe geleid dat vijftig procent van de investering zijn nut heeft kunnen bewijzen. De detailrijke foto’s van de Global Surveyor hebben zelfs aanwijzingen opgeleverd voor water dat in het relatief recente geologische verleden – hooguit een paar miljoen jaar geleden – over het oppervlak van de planeet zou hebben gestroomd (zie Zenit, januari 2001, blz. 6 e.v.).
Maar bijna anderhalve eeuw wetenschappelijk onderzoek hadden nog steeds geen antwoord gegeven op de ‘grote vragen’ die een klein deel van de mensheid bezig hielden... Waar is het water op Mars gebleven? En om hoeveel water gaat het? De meest voor de hand liggende plek is natuurlijk de Marsbodem, maar hoe kom je erachter of daar inderdaad water zit?

2001 Mars Odyssey

Het zijn vooral deze vraagstukken die men met behulp van de nieuwste Marssonde, de 2001 Mars Odyssey, hoopt op te lossen. De belangrijkste missie van de Mars Odyssey is een ruim twee jaar durend wetenschappelijk meetprogramma dat afgelopen januari is begonnen. De sonde heeft drie instrumentenpakketten aan boord, waarvan er twee speciaal zijn bedoeld om de samenstelling van de Marsbodem in kaart te brengen. Het is voor het eerst dat een ruimtesonde de hoeveelheden chemische elementen en mineralen van Mars zo nauwkeurig in kaart brengt. Daarbij wordt vooral uitgekeken naar sporen van waterstof, dat dan deel zou uitmaken van bevroren water, vlak onder het planeetoppervlak.
Het onderzoek speelt zich niet af op het Marsoppervlak – van een landing is geen sprake. Net als zijn voorganger, de Global Surveyor – die overigens nog steeds in bedrijf is, bestudeert de Mars Odyssey zijn planeet van een afstand, net zoals dat met weersatellieten bij de aarde gebeurt.
De Odyssey heeft drie grote instrumenten aan boord. De Thermal Emission Imaging System (THEMIS) verricht metingen bij zichtbare en infrarode golflengten, om de mineralogische samenstelling van de Marsbodem in kaart te brengen – hierbij wordt vooral uitgekeken naar mineralen die alleen in een vochtrijke omgeving kunnen ontstaan. De Gamma Ray Spectrometer (GRS) doet soortgelijk onderzoek bij gammagolflengten en aan neutronen, hetgeen informatie oplevert over belangrijke elementen als waterstof, koolstof, silicium en ijzer. Het laatste instrument, het Mars Radiation Environment Experiment (MARIE), is een deeltjesspectrometer waarmee de radioactieve straling van Mars wordt gemeten.

Eindelijk water(stof)!

Eind mei was het dan zo ver: de eerste resultaten van de GRS-metingen verschenen in het wetenschappelijke weekblad Science. Het gaat in feite om indirecte metingen. Wanneer kosmische straling het oppervlak van Mars treft, komen gammastraling en neutronen vrij. De GRS, in feite een bundeling van verschillende instrumenten, kan deze gammastraling en neutronen detecteren en meten om welke energieën het gaat. Het resultaat is een spectrum met spectraallijnen, die kenmerkend zijn voor bepaalde stoffen. De aanwezigheid van water kan op deze manier niet worden aangetoond, maar wel die van waterstof, dat samen met zuurstof watermoleculen vormt. Het vóórkomen van waterstof verraadt zich in feite door een tekort aan snelle neutronen, doordat deze in de bodem, door botsingen met waterstofatomen, energie verliezen (zie Zenit 1998, blz. 177, waar dit principe bij de Lunar Prospector wordt uitgelegd). De onderzoekers gaan ervan uit dat vrijwel alle gemeten waterstof deel uitmaakt van de ondergrondse ijslaag.
De gemeten regionale verschillen die daarbij zijn waargenomen zijn opmerkelijk groot: de grootste concentraties waterstof zijn gevonden boven de 60ste breedtegraad. Hoewel de meetresultaten nog lang niet volledig zijn uitgewerkt, lijken ze erop te duiden dat de Marsbodem op hoge breedten is bedekt met een enkele tientallen centimeters dikke droge bodemlaag, waaronder een minstens enkele meters dikke laag schuilgaat die voor 20 tot 35% uit bevroren water bestaat en voor de rest uit poreus gesteente (regolith). Omdat het gesteente een groter soortelijk gewicht heeft dan waterijs, neemt het laatste misschien wel meer volume in dan het rigolith: volgens de onderzoekers mag je dan van een ‘vuile ijslaag’ spreken.
William Feldman, hoofdonderzoeker voor de GRS bij de Los Alamos National Laboratories, merkt op dat ‘de kenmerken van ondergrondse waterstof die in het zuidpoolgebied zijn waargenomen ook in het noordpoolgebied te zien zijn, maar in het laatste geval niet zo dicht bij de pool.’ Dat laatste komt waarschijnlijk doordat de noordelijke poolstreken nu nog met een winterse laag kooldioxide-ijs bedekt zijn. ‘Nu de noordelijke lente vordert, duiden de laatste neutronengegevens erop dat de vorst afneemt, en dat de bodem eronder ook rijk aan waterstof is,’ aldus Feldman.
Tot welke diepte de ijslaag doorgaat is onduidelijk, omdat de instrumenten van de Odyssey niet dieper dan ongeveer en meter de bodem in kunnen ‘kijken’. Het is dus (nog steeds) niet mogelijk om met zekerheid vast te stellen om hoeveel water(ijs) het nu eigenlijk gaat. Als de Marsbodem tot op grote diepte – honderden meters of zelfs een kilometer – poreus is, kan het om flinke hoeveelheden gaan. Maar het is nog te vroeg om – zoals sommige krantenkoppen suggereerden – van ‘ijsoceanen’ te spreken – vooralsnog is het slechts een bevroren pierebadje.
Rond de evenaar en op gematigde breedten is de hoeveelheid water in de Marsbodem hoe dan ook veel geringer. De metingen duiden erop dat het gesteente daar voor enkele procenten uit waterhoudende mineralen bestaat, maar welke mineralen dat zijn is nog onduidelijk.
Rond de tijd dat dit nummer van Zenit verschijnt, moet de gammasensor van de GRS middels een zes meter lange ‘arm’ op grotere afstand van de Odyssey zijn gebracht. Een deel van de gammasignalen die in de eerste weken met het instrument zijn gemeten, zijn namelijk van de ruimtesonde zélf afkomstig. Door meer afstand te nemen, hoopt men deze achtergrondruis te verminderen en nog nauwkeuriger onderzoek aan de Marsbodem te kunnen doen. Dan zal ook de globale verdeling van andere bodemelementen, zoals ijzer, silicium en magnesium, in kaart worden gebracht.

Marslanding

Water speelt een belangrijke rol bij het onderzoek naar mogelijk leven op Mars. Sinds een aantal jaren wordt hierover volop gediscussieerd, vooral nadat Amerikaanse onderzoekers enkele jaren geleden beweerden fossiele sporen van bacterieel leven te hebben aangetroffen in een meteoriet die naar aller waarschijnlijkheid van Mars afkomstig is. Als er inderdaad vloeibaar water op de planeet is geweest, is de kans dat er ook micro-organismen zijn geweest in elk geval niet nul.
Daarnaast kan in de bodem opgeslagen water van belang zijn voor die nauwelijks verhulde NASA-wens: een bemande vlucht naar Mars. Het zou ondoenlijk zijn om astronauten met een eigen watervoorraad naar de planeet te sturen – nog afgezien van het feit of Mars wel een interessant reisdoel is als er geen druppel water en waarschijnlijk dus ook geen spoor van micro-organismen te vinden zou zijn. De Odyssey lijkt zijn verwachtingen wat dit betreft nu al te hebben waargemaakt.
Maar het opsporen van water is niet de enige taak waar de sonde voor staat. De Odyssey zal t.z.t. ook gaan fungeren als ‘doorgeefluik’ voor de communicatie met toekomstige Marssondes, zoals de Europese Mars Express en de Amerikaanse Mars Exploration Rovers (twee mobiele Marslanders), waarvan de lancering voor de zomer van 2003 op het programma staan. Gerhard Schwehm, hoofd van de Planetaire Missies Devisie van het Europese ruimtevaartagentschap ESA toonde zich blij verrast met de eerste bevindingen van Odyssey: ‘De aanwezigheid van zo’n grote hoeveelheid waterijs onder het Marsoppervlak is erg verrassend. Zeker zo dicht onder het oppervlak!’ De radarapparatuur die de Mars Express zal meevoeren, MARSIS geheten, zal veel dieper in de bodem kunnen doordringen dan de Mars Odyssey. Het is de bedoeling dat MARSIS de ondergrondse structuur tot een diepte van enkele kilometers in kaart brengt. Andere instrumenten aan boord van de Mars Express zullen worden ingezet om (onder meer) de atmosfeer van Mars te onderzoeken op de aanwezigheid van waterdamp.
Of de metingen van Odyssey ook gevolgen zullen hebben voor de keuze van de landingsplaats van de kleine Marslander Beagle 2, die door de Mars Express aan een parachute zal worden neergelaten, staat nog niet vast. Zoals het er nu voorstaat, zal de Beagle 2 (evenals de Exploration Rovers) niet ver de evenaar landen, om daar naar sporen van water en leven te zoeken. De vraag is echter of de klaarblijkelijk erg droge zone rond de evenaar daar de meest geschikte plek voor is. Wellicht dat het onderzoek aan bodemmonsters van 1,5 meter diepte, die de Beagle 2 hopelijk zal kunnen verzamelen, wat dat betreft meer kans van slagen heeft. Maar misschien worden ook alsnog andere landingsplaatsen geselecteerd. Het zouden wel eens boeiende tijden kunnen worden voor Marsfanaten.

(Zenit, juli/augustus 2002)

Meer informatie:
http://mars.jpl.nasa.gov/odyssey/
http://grs.lpl.arizona.edu/
http://themis.asu.edu
http://sci.esa.int/marsexpress/

Deze opname, gemaakt met de Mars Global Surveyor, toont de planeet Mars op 10 juni 2001, toen een grote stofstorm over de planeet raasde. De storm nam pas na een maand of drie in intensiteit af. (Foto: NASA/JPL)

Deze nachtelijke infraroodopname van Mars, gemaakt door de Mars Odyssey, laat een van de vele kronkelige structuren op de planeet zien. De grijstinten geven temperatuurverschillen aan: donker is koud, licht is minder koud. De bodem van de ‘riverbedding’ is donker, dus koud, wat erop duidt dat het materiaal dat hier ligt fijnkorrelig is. (Foto: NASA/JPL/Arizona State University)

Het oppervlak van een planeet wordt voordurend bestookt met deeltjes van de zonnewind en de kosmische straling. Soms komen daarbij energierijke deeltjes in botsing met atomen in de bodem. Daarbij kunnen neutronen vrijkomen die soms weer met andere atomen botsen, waardoor deze op hun beurt in ‘aangeslagen’ toestand geraken en gammastraling uitzenden. Daarnaast zenden sommige elementen, zoals kalium, uranium en thorium, van zichzelf al gammastraling. Het GRS-instrument van de Mars Odyssey detecteert zowel gammastraling als verstrooide neutronen. (Illustratie: NASA/JPL)

Deze kaart van Mars laat zien waar de meeste water(stof) in de bodem zit (blauwe gebieden). In de gele en rode gebieden zit minder ijs in de bodem. Aangenomen wordt dat de donkere gebieden bij de zuidpool zeker 50 volumeprocent waterijs bevatten. Het ijs bij de noordpool wordt waarschijnlijk gemaskeerd door een laag kooldioxide-ijs. (Illustratie: NASA/JPL/University of Arizona/Los Alamos National Laboratories)

Dit diagram laat zien hoe diep de ijslaag op Mars op de verschillende geografische breedten ligt. De bovenlaag bevat waarschijnlijk weinig ijs, maar de laag eronder bestaat misschien zelfs uit een half-om-half mengsel van waterijs en regolith (gesteente). De gammaspectrometer van de Mars Odyssey, waarmee de ijslaag is opgespoord, kan geen waterstof detecteren die dieper dan een meter onder het oppervlak zit. (Illustratie: NASA/JPL/University of Arizona/Los Alamos National Laboratories)

De Mars Odyssey met uitgeschoven arm, waarop de GRS-spectrometer is gemonteerd. Het is de bedoeling dat de GRS in deze positie zijn onderzoek van de Marsbodem voortzet en verfijnt. (Illustratie: Corby J. Waste (JPL))