Het NOMAD-instrument, ontwikkeld bij het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie en momenteel in een baan rond Mars aan boord van ESA’s ExoMars Trace Gas Orbiter, heeft een unieke groene gloed, afkomstig van zuurstof, gedetecteerd in de atmosfeer rond de rode planeet (op ongeveer 80 km hoogte). Deze emissie geeft zijn karakteristieke kleur aan het poollicht en de airglow (luchtgloed) op Aarde, maar werd nooit eerder waargenomen in de atmosfeer van andere planeten.
Deze lichtemissie ontstaat door de interactie tussen zonnestraling en koolstofdioxide, het belangrijkste bestanddeel van de Marsatmosfeer. Op Mars, functionerend als een groot natuurlijk laboratorium, zijn we er ook in geslaagd om de twee zuurstoflijnen in het zichtbare en ultraviolette bereik tegelijkertijd te meten, wat een langdurige controverse van onenigheid tussen kwantummechanica-berekeningen en atmosferische metingen op Aarde verheldert.
Gloeiende atmosfeer
Op Aarde wordt gloeiende zuurstof geproduceerd tijdens het verschijnen van het poollicht, wanneer energetische elektronen van de Zon de bovenste atmosfeer raken. Deze lichtemissie, gedreven door het zuurstof in de atmosfeer, geeft het poollicht zijn mooie en karakteristieke groene tint.
Het poollicht is echter slechts één manier waarop planetaire atmosferen oplichten. De atmosferen van planeten, waaronder de Aarde en Mars, gloeien zowel overdag als 's nachts constant door de interactie van zonlicht met atomen en moleculen in de atmosfeer, een fenomeen dat gewoonlijk "airglow" wordt genoemd. De mechanismen achter de gloed overdag en ‘s nachts zijn licht verschillend.
“Nachtgloed” is het resultaat van de recombinatie van moleculen die overdag door zonnestraling zijn uiteengebroken. Het licht wordt uitgezonden wanneer de aangeslagen atomen of moleculen 's nachts weer naar hun oorspronkelijke, niet aangeslagen toestand, terugkeren. Een van de helderste emissies op aarde komt voort uit deze nachtgloed, meer bepaald uit aangeslagen zuurstofatomen die licht uitstralen op een welbepaalde golflengte van het licht (557,7 nanometer), een groene straling die wordt uitgezonden in het spectrale gebied waar onze ogen het gevoeligst zijn.
De groene nachtgloed is vrij zwak, zodat het meestal enkel 's nachts te zien is door naar de “rand” van de emissielaag te kijken, zoals astronauten dat kunnen vanuit een baan rond de Aarde. Dit optisch fenomeen is vastgelegd met camera's aan boord van de Space Shuttle en het Internationaal Ruimtestation.
“Daggloed” ontstaat wanneer de straling van de zon direct in wisselwerking staat met de atmosfeer overdag. Atomen en moleculen (zoals stikstof en zuurstof) in de atmosfeer absorberen een deel van het zonlicht, waardoor ze tijdelijk worden aangeslagen totdat ze deze extra energie als licht vrijgeven, met dezelfde of een lagere frequentie (kleur) dan het geabsorbeerde licht. Deze emissie is veel zwakker dan het verstrooide licht van de Zon, waardoor we het niet met het blote oog kunnen zien.
Ontdekking van het groene licht op Mars
Hoewel de groene daggloed op Mars al zo'n 40 jaar voorspeld wordt, was het tot nu toe nooit waargenomen in de atmosferen van andere planeten, ofwel omdat hun oppervlak te helder is ten opzichte van de atmosferische lichtemissie, ofwel omdat eerdere missies naar de planeten niet waren uitgerust met instrumenten die gevoelig zijn voor zowel zichtbaar als ultraviolet licht. Om dit te verhelpen heeft het NOMAD-team van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie en de Universiteit van Luik besloten om het ultraviolet en zichtbaar (UVIS) kanaal van het instrument te heroriënteren vanuit zijn typische nadir-oriëntatie (rechtstreeks naar beneden kijkend naar het Marsoppervlak) richting de horizon (“limb”) van Mars aan de dagzijde.
Tussen 24 april en 1 december 2019 heeft het NOMAD-team met behulp van UVIS, twee keer per omloop rond Mars, de hoogtes van 20 tot 400 km boven het Marsoppervlak gescand. Op elk van die limb-waarnemingen detecteerde het instrument opvallend heldere signalen op 557,7 nanometer (Figuur 2, rechts), wat de alomtegenwoordigheid van de groene daggloed aantoont. De belangrijkste piekhoogte lag op ongeveer 80 km hoogte, en de intensiteit ervan varieerde als gevolg van de veranderende afstand tussen Mars en de Zon, de lokale tijd en de breedtegraad van de waarnemingen. Een tweede emissiepiek werd waargenomen op ongeveer 120 km hoogte (Figuur links).
(Links) Waargenomen (groene stippen) en gemodelleerde (rode lijn) hoogteverdeling van de intensiteit van de groene zuurstoflijn.
De daggloed was het helderst op 80 km, bereikte een tweede piek rond 120 km, en verdween boven 150 km.
(Rechts) Voorbeeld van een NOMAD UVIS-daggloed-spectrum, waargenomen op 28 april 2019.
Mars als natuurlijk laboratorium
In het nabije ultraviolette bereik werd op 297,2 nanometer nog een tweede, zwakkere zuurstofemissie in de daggloed waargenomen (Figuur 2, rechts). Een dergelijke gelijktijdige meting van twee zuurstoflijnen in het zichtbare en ultraviolette spectrum is vrij uniek. Het liet toe om rechtstreeks een verhouding van 16,5 af te leiden tussen de zichtbare en de UV-emissies, wat zelfs in het laboratorium op aarde moeilijk is.
Een fotochemisch model, ontwikkeld aan de Universiteit van Luik, werd gebruikt om deze groene gloed op Mars beter te begrijpen en te vergelijken met wat we rond onze eigen planeet zien. Het model was in staat om de hoogte en de helderheid van de airglow-laag te reproduceren. Het gaf bovendien aan dat de groene daggloed op Mars meestal wordt geproduceerd wanneer het belangrijkste gas in de atmosfeer van de rode planeet, de koolstofdioxide moleculen (CO2), door het zonlicht wordt opgesplitst in de samenstellende delen: zuurstof (O) en koolstofmonoxide (CO). De resulterende zuurstofatomen gloeiden in zowel zichtbaar als ultraviolet licht.
Ons resultaat is in overeenstemming met de modellen van de kernfysica, maar in tegenspraak met eerdere waarnemingen van airglow en aurora op aarde. De emissieverhouding van 16,5, gevonden in deze studie, zal worden beschouwd als een standaard voor metingen die het ultraviolet verbinden met de zichtbare spectrale gebieden. Dit resultaat heeft gevolgen voor de studie van de aurora- en airglow-processen, en voor de spectrale ijking van optische instrumenten.
Bron: BIRA
