Klimaatreconstructies met het landschap van Mars

klimaatreconstructie001

Wouter Marra en Tjalling de Haas doen hun promotieonderzoek over het landschap van Mars aan de Universiteit Utrecht. Ze bootsen landschappen na in het laboratorium en gebruiken deze kennis om het oppervlak van Mars te verklaren. Kennis over de processen die deze planeet vorm hebben gegeven is belangrijk om het vroegere klimaat te reconstrueren.

Door Wouter Marra & Tjalling de Haas van de Universiteit Utrecht

Koud en droog

Robots op het oppervlak en satellieten in een baan om Mars hebben het huidige klimaat op Mars goed in kaart gebracht. Voor het grootste gedeelte van het jaar komt de temperatuur niet boven het vriespunt uit en het is er kurkdroog.

Dat het zo droog is op Mars is niet verwonderlijk. De luchtdruk op Mars is ongeveer 600 Pascal, minder dan een dui- zendste van de luchtdruk op de aarde. Met zo’n lage luchtdruk kan vloeibaar water niet bestaan. Het komt er alleen voor als ijs op de polen of als waterdamp in wolken.
Hoewel er nu geen vloeibaar water op Mars voorkomt, is dat er vroeger wel geweest. Want net als op de aarde, is het klimaat op Mars niet altijd hetzelfde geweest. Variaties in de baan en oriëntatie van de rotatie-as van beide planeten zorgen voor cyclische klimaatverande- ringen op tijdschalen van tienduizenden tot miljoenen jaren. Op de aarde veroorzaken variaties van 2-30 in de ori- entatie van de aardas grote verschillen in het klimaat, zoals de ijstijden. De stand van Mars ten opzichte van de zon varieert met wel 15-350. Het effect op het klimaat van deze schommelingen is dan ook erg groot.
Op langere tijdschalen van miljarden jaren spelen andere factoren een grote rol. Mars heeft vroeger waarschijnlijk een dikkere atmosfeer gehad, maar deze is door de beperkte zwaartekracht weggewaaid. Daarbij komt dat Mars in zijn vroege jaren heel veel vulkanisme had. Zo veel zelfs, dat de atmosfeer bij vlagen bestond uit sterke vulkanische broeikasgassen die de boel kortstondig opgewarmd kunnen hebben.

Klimaatreconstructie

De huidige meetinstrumenten op en rond Mars meten slechts de huidige situatie. Het vroegere klimaat kan slechts gereconstrueerd worden met klimaatmodellen. Op de aarde kunnen we het klimaat reconstrueren aan de hand van kilometers diepe afzettingen in de zee, ijskappen of in gesteenten. Voor deze reconstructies zijn de aanwezigheid van biologische restanten essentieel. Op Mars is geen gesteente archief en al helemaal geen sporen van leven. 


Het landschap van Mars geeft belangrijke informatie over het vroegere klimaat. Het oppervlak is in de afgelopen miljarden jaren uitzonderlijk goed bewaard gebleven. In tegenstelling tot onze eigen planeet, waar plaattektoniek en biologische activiteit het oppervlak voortdurend uitwissen.
Op Mars zien we de restanten van grote en kleine riviersyste- men, overblijfselen van landijs en sporen van grondwateruitstroming en sneeuwsmelt. Als je begrijpt hoe deze landschap- pen zijn ontstaan, kan je ook iets zeggen over het klimaat dat daar voor nodig is geweest. Dat water een grote rol heeft ge- speeld bij de vorming van Mars is duidelijk. Hoeveel en hoe lang er vloeibaar water is geweest zijn daarbij de belangrijkste vragen voor de overkoepelende vraag: ‘Was er ooit leven op Mars?’

Het landschap van Mars geeft belangrijke informatie over het vroegere klimaat

Landschapssimulaties

We weten veel van het ontstaan van landschappen, maar deze kennis is beperkt tot de processen die hier op de aarde spelen. Het landschap van Mars lijkt soms wel wat op dat van de aarde, maar er zijn ook hele grote verschillen. Op Mars lijken de grootste rivieren spontaan te ontspringen uit de grond. Dit duidt op een bron van grondwater en komt op de aarde slechts in een paar kleine gevallen voor. Benedenstrooms wordt water en zand afgezet in puinwaaiers. De vorm en samenstelling van deze waaiers geven belangrijke informatie over de verhouding water en zand en over de tijdsduur van de aanwezigheid van vloeibaar water. Op de aarde kunnen we naar een afzetting toelopen en metingen doen, op Mars moeten we het doen met satellietbeelden.

Om toch zinnige uitspraken te kunnen doen over landschappen die we niet kennen of zonder veldwaarnemingen, bootsen we ze na in ons laboratorium. In deze experimenten kunnen we bijvoorbeeld grondwater een rivier laten maken en puinwaaiers met verschillende samenstellingen maken. De ele- menten in deze minilandschappen gebruiken we om het landschap op Mars te interpreteren.

Grondwater uitbarstingen

In één van de experimenten hebben we uitstroming van grondwater onderzocht. In dit experiment simuleerden we een grondwater systeem onder druk, dat vrijkomt doordat een afsluitende laag breekt. Het oppervlak begint te breken en te scheuren totdat plotseling een grote stroom water uitbarst. Na de uitbarsting worden er lobben van zand afgezet en vervolgens snijd een vallei zich in het landschap. 


Dit experiment toont een uniek landschap en op Mars zijn diverse elementen hieruit terug te vinden. Diverse lobben van zand en modder lijken hun oorsprong te vinden uit scheuren en spleten en zijn vermoedelijk veroorzaakt door uitstromend grondater. Maar er zijn ook diverse grote gaten te vinden waar het oppervlak lijkt te zijn opengebarsten. Deze gaten zijn vaak de bron van enorme valleien waar heel lang geleden grote hoeveelheden water doorheen stroomden. Deze valleien hebben zich waarschijnlijk in slechts een paar weken gevormd, maar zijn veel groter dan de grootste rivieren op de aarde.
klimaatreconstructie002klimaatreconstructie003

 

Puinstromen

De jongste aanwijzingen voor vloeibaar water op Mars komen van kleine puin- waaiers onder aan de wanden van in- slagkraters. Op sommige van deze puinwaaiers heeft minder dan een miljoen jaar geleden nog water gestroomd, toen de stand van Mars optimaal stond voor maximale instraling van de zon. Dit is relatief kort geleden voor Mars want de grote riviersystemen die het grootste deel van het oppervlak domineren zijn miljarden jaren oud.


Een groot deel van deze puinwaaiers is gevormd door puinstromen en modder- stromen. Dit zijn mengsels van water, zand, klei, grind en rotsblokken. Water vormt hierin slechts een klein deel van het geheel. Je kunt deze mixen daarom ruwweg vergelijken met nat beton in een betonmolen. In het laboratorium hebben we bijna alle denkbare samen- stellingen nagebootst. Aan de vorm van de afzettingen is de samenstelling van deze puinstroom af te leiden, waaron- der de hoeveelheid water.
Deze experimenten hebben we vergele- ken met de afzettingen op Mars. Uit deze vergelijking hebben we kunnen concluderen dat er minder dan een mil- joen jaar geleden regelmatig minimaal 10-20 centimeter sneeuw moet zijn ge- vallen en gesmolten voor de vorming van de puinwaaiers.

 

Een beetje nat, maar nog steeds erg koud

Het landschap van Mars laat zien dat zelfs de grootste geulen gevormd kunnen worden door water dat uit de grond komt. Deze uitbarstingen zijn mogelijk als het grondwater onder druk, in een

De grootste geulen op Mars zijn gevormd door uitbarstingen van grondwater

afgesloten ondergrond reservoir heeft gezeten. Een mogelijke verklaring voor zo’n systeem is dat de bovenste laag van het grondwater bevroren was. Dit duidt op een heel koud klimaat en aan het oppervlak was het dan, op de enkele uitbarstingen na, erg droog. Voor dit grondwater systeem op Mars is geen klimaat nodig dat zo’n waterkringloop in stand houdt. Dit in tegenstelling tot op de aarde waar het water in rivieren en zeeën doormiddel van regen en verdamping in een eeuwige cyclus wordt rondgepompt.
Recente activiteit van water komt sterk overeen met periodieke klimaatvariaties. In korte perioden, waarin de as van Mars sterk gekanteld stond richting de zon was er stromend water op kraterwanden. De polen van Mars waren dan richting de zon gericht, en de poolkappen verdampten. Hierdoor ontstonden meer wolken en een korte waterkringloop, werd de atmosfeer dikker en de luchtdruk hoger. Echt geregend heeft het waarschijnlijk niet. Maar wel gesneeuwd, wat vervolgens af en toe kon smelten en waaruit de puinstromen ontstonden. De hoeveelheid water die hiervoor nodig was is erg klein.
Vandaag de dag is Mars koud en droog. De extreme situaties zoals die van miljarden jaren geleden met uitbarstingen van grondwater zijn het gevolg van een unieke samenkomst van omstandigheden en deze komen waarschijnlijk niet meer voor. Maar, recente, korte periodes met kleine hoeveelheden vloeibaar water hangen samen met periodieke klimaatvariaties. De kans is dan ook groot dat er binnen nu en een paar honderdduizend jaar opnieuw stromend water zal voorkomen op Mars.

Weersverwachting

Foto van de dag

Tweets over sterrenkunde

Contact

Stip Media

Louise de Colignystraat 15 

1814 JA Alkmaar

+3172 531 49 78

info@zenitonline.nl