¿Mejor comprensión de la química atmosférica de la Tierra al estudiar Marte?

Utilizando cuatro años marcianos de observaciones del instrumento SPICAM (espectroscopia para la investigación de las características de la atmósfera de Marte), que corresponde a siete años y medio terrestres, un equipo de investigadores de Europa y Rusia descubrió la brecha en nuestro conocimiento cuando tratando de reproducir sus datos con un modelo climático global de Marte.

El ozono y el vapor de agua no son buenos compañeros atmosféricos. El ozono (O₃) se produce cuando las moléculas de dióxido de carbono (CO₂), que comprende el 95% de la atmósfera marciana, se separan por la radiación ultravioleta del Sol. A su vez, el ozono se puede dividir mediante moléculas llamadas radicales de hidrógeno (HO_X), que contienen un átomo de hidrógeno y uno o más átomos de oxígeno. Los propios radicales de hidrógeno se producen cuando el vapor de agua se separa por la luz ultravioleta.

En Marte, dado que el dióxido de carbono es omnipresente, debería haber una firma global de ozono, a menos que una región en particular contenga vapor de agua. En esa circunstancia, el agua se dividirá en radicales de hidrógeno, que reaccionarán con la molécula de ozono y la separarán.

Por lo tanto, siempre que SPICAM detectó vapor de agua, debería haber visto una disminución en el ozono. Cuanto más vapor de agua, menos ozono. El equipo investigó esta relación inversa, también conocida como anticorrelación. Descubrieron que podían reproducir la naturaleza inversa general de la misma con un modelo climático pero no lograr la relación precisa. En cambio, para una cantidad determinada de vapor de agua, el modelo produjo solo el 50% del ozono visto en los datos de SPICAM.

“Sugiere que la eficiencia de la destrucción del ozono está exagerada en las simulaciones por computadora”, dice Franck Lefèvre, del Laboratoire atmosphères, milieux, observaciones espaciales (LATMOS), CNRS / Sorbonne Université, Francia, quien dirigió el estudio.

En la actualidad, sin embargo, el motivo de esta sobreestimación no está claro. Comprender el comportamiento de los radicales de hidrógeno en Marte es esencial. “Desempeña un papel clave en la química atmosférica de Marte, pero también en la composición global del planeta”, dice Franck.

El modelo químico utilizado en este trabajo fue construido específicamente por Franck y sus colegas para analizar Marte. Se basó en un modelo de parte de la atmósfera superior de la Tierra; la mesosfera. Aquí, entre aproximadamente 40 y 80 kilómetros de altitud, la química y las condiciones son muy similares a las que se encuentran en la atmósfera de Marte.

De hecho, la discrepancia encontrada en los modelos podría tener repercusiones importantes en la forma en que simulamos el clima de la Tierra utilizando modelos atmosféricos. Esto se debe a que la mesosfera de la Tierra contiene parte de la capa de ozono, que experimentará las mismas interacciones con HO_X como ocurre en Marte.

«HO_X la química es importante para el equilibrio global de la capa de ozono de la Tierra ”, dice Franck.

Entonces, comprender lo que está sucediendo en la atmósfera de Marte podría beneficiar la precisión con la que podemos realizar simulaciones climáticas en la Tierra. Y con tantos datos ahora disponibles de SPICAM, el modelo ha demostrado claramente que hay algo que no entendemos.

¿Podría ser ese algo la acción de las nubes?

Cuando Franck y sus colegas introdujeron los cálculos para la forma en que HO_X es absorbido por las partículas heladas que forman las nubes en Marte, descubrieron que sobrevivía más ozono en sus modelos. Esto es porque HO_X las moléculas fueron absorbidas antes de que pudieran separar el ozono. Pero esto solo explica parcialmente sus resultados.

“No funciona en todos los casos”, dice Franck. Y por eso el equipo también está mirando hacia otro lado.

Un área particular para mayor estudio es la medición de las velocidades de reacción a las bajas temperaturas que se encuentran en la atmósfera marciana y la mesosfera de la Tierra. En la actualidad, estos no son bien conocidos, por lo que también podrían estar sesgando los modelos.

Ahora que el trabajo actual ha destacado de manera cuantitativa dónde se encuentran las lagunas en nuestro conocimiento, el equipo recopilará más datos utilizando otros instrumentos UV que operan en Marte y continuará sus investigaciones y actualizará el modelo.

“Con Mars Express, hemos completado el estudio más largo de la atmósfera marciana hasta la fecha, independientemente de la misión. Comenzamos en 2004 y ahora tenemos 17 años de datos, lo que nos ha llevado a observar casi siete años marcianos seguidos, incluidos cuatro años marcianos de mediciones combinadas de ozono y vapor de agua antes del canal UV de SPICAM, que midió el ozono, dejó de operar a fines de 2014. Esto es único en la historia de la exploración planetaria ”, agrega Franck Montmessin, también de LATMOS, e investigador principal del instrumento SPICAM.

Sobre la base del extraordinario conjunto de datos de Mars Express, ahora están llegando nuevos resultados del Trace Gas Orbiter de la ESA, que ha estado dando vueltas a Marte desde octubre de 2016. Lleva dos instrumentos, ACS (Atmospheric Chemistry Suite) y NOMAD (Nadir y Ocultación para MArs Discovery ) que están analizando la atmósfera marciana. La misión Maven de la NASA también lleva equipos ultravioleta que monitorean la riqueza de ozono. Entonces, la información vital que finalmente desvela este misterio podría llegar en cualquier momento.

El monitoreo a largo plazo de los parámetros atmosféricos y sus variaciones por Mars Express proporciona un conjunto de datos único con el que estudiar la atmósfera marciana como un sistema dinámico complejo.

“Quizás sumar todos estos años juntos eventualmente sea la clave de cómo el HO_X realmente controla la atmósfera marciana, lo que beneficia nuestra comprensión de las atmósferas planetarias en general ”, dice Franck Montmessin.

Notas para los editores:

Relación entre las columnas de ozono y vapor de agua en Marte según lo observado por SPICAM y calculado por un modelo climático global, por F. Lefèvre, et al. (2021) se publica en Journal of Geophysical Research: planetas 126, e2021JE006838. https://doi.org/10.1029/2021JE006838.

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