Het GEM-Mars-model onderzoekt een fundamenteel chemisch probleem op Mars

2023-2024
De aanhoudende onderschatting door modellen van de hoogste ozonconcentraties op Mars kan wijzen op een fundamenteel probleem in ons begrip van de chemische samenstelling van de Marsatmosfeer. Eerder werd gesuggereerd dat heterogene reacties op waterijswolken dit probleem zouden kunnen oplossen, maar er blijven belangrijke onduidelijkheden.

Met behulp van het Mars-klimaatmodel GEM-Mars van het BIRA werd een breed scala aan processen onderzocht die kunnen bijdragen aan het oplossen van dit raadsel. Deze studie heeft aanbevelingen kunnen formuleren die de onderzoekers begeleiden bij het vinden van oplossingen.

Na tientallen jaren van ruimteobservaties en theoretische modellering blijven er hardnekkige problemen bestaan in ons fundamentele begrip van de atmosfeer van Mars. Een daarvan is de onderschatting van de hoogste ozonconcentraties door modellen. Eerder werd gesuggereerd dat de heterogene opname van het hydroperoxylradicaal (HO2) op waterijswolken dit zou kunnen verbeteren, maar er blijven fundamentele kwesties openstaan.

Het probleem werd onlangs aangepakt met behulp van het Mars-klimaatmodel GEM-Mars van het BIRA. Dit werk werd uitgevoerd met de steun van dr. John Crowley van het Max Planck Instituut voor Chemie (Duitsland), een wereldwijd vooraanstaand expert op het gebied van heterogene chemie.

Het GEM-Mars-model

GEM-Mars is een weer- en klimaatmodel voor Mars dat oorspronkelijk in Canada werd ontwikkeld en sinds 15 jaar wordt ontwikkeld en beheerd door het BIRA.

Het maakt het mogelijk om in 3D te simuleren hoe de belangrijkste componenten van de Marsatmosfeer op elkaar inwerken, waaronder stof, ijs en een reeks atmosferische gassen. GEM-Mars is een van de slechts twee modellen ter wereld die een volledige beschrijving bevatten van de fundamentele atmosferische chemie op Mars.

Exploratie van nieuwe processen

Onze studie leverde aanwijzingen op dat de experimenteel verkregen reactiesnelheid voor de opname van HO2 op ijs te groot is. Daarbij hebben we aangetoond dat met een lagere opnamecoëfficiënt de impact op ozon verwaarloosbaar is. Dit was aanleiding om op zoek te gaan naar alternatieve processen.

Om te beginnen hebben we het gedrag van waterstofperoxide (H2O2) bij lage temperaturen, en de impact ervan op ozon, onderzocht en aangetoond dat H2O2 in oppervlakte-ijs op Mars kan worden afgebroken. Dit werd ondersteund door een eerste, negatieve zoektocht naar H2O2 in observaties van oppervlakte-ijs.

Vervolgens hebben we, in samenwerking met het Max Planck Instituut voor Chemie, alle heterogene reacties op stof- en waterijskristallen getest die worden aanbevolen voor de aardse atmosfeer. We ontdekten dat de opname van HO2 en H2O2 door mineraalstof op Mars te efficiënt is wanneer de bekende aardse opnamecoëfficiënten worden gebruikt.

Ten slotte ontdekten we dat de afscherming van binnenkomend zonlicht door waterijswolken leidt tot grotere ozonconcentraties onder de wolken, een proces dat voorheen nooit goed in aanmerking was genomen.

Door deze processen te combineren werd de ozonsimulatie verbeterd, maar niet voldoende. Daarom concludeerden we dat er meer verfijningen nodig zijn in atmosferische modellering en dat nieuwe observaties en laboratoriumexperimenten noodzakelijk zijn. Daartoe hebben we gedetailleerde aanbevelingen gedaan om de onderzoeksgemeenschap te begeleiden bij het oplossen van dit raadsel.

 

Referenties

Daerden, F., Crowley, J. N., Neary, L., et al. (2023). Heterogeneous processes in the atmosphere of Mars and impact on H2O2 and O3 abundances. Journal of Geophysical Research: Planets, 128, e2023JE008014. https://doi.org/10.1029/2023JE008014

Snapshot of a GEM-Mars simulation of ozone
Momentopname van een GEM-Mars-simulatie van ozon (O3,-kleurschakering) nabij het oppervlak tijdens het begin van de noordelijke zomer, met uitzicht op de noordpool en met een grote vulkaan (Elysium Mons) net onder het midden van de afbeelding.
Contouren: volledig wit: poolkap; zwart: oppervlaktetopografie; witte pijlen: winden nabij het oppervlak.
Total ozone column on Mars: differences observations and simulations
Paneel (a) toont de totale ozonkolom op Mars, waargenomen door het NASA/MRO MARCI-instrument gedurende een volledig jaar (x-as) en voor alle breedtegraden (y-as). Hieronder worden drie GEM-Mars-simulaties getoond: (b) zonder heterogene chemie, (c) met opname van HO2 op ijs met behulp van de nog niet bevestigde opnamecoëfficiënt, (d) met de nieuwe processen die in deze studie zijn onderzocht. De grafieken aan de rechterkant tonen de verschillen met de waarnemingen. Zwarte contourlijnen geven waterijswolken aan.
Bron: Daerden et al. (2023).
Amount of hydrogen peroxide (H2O2) simulated in the GEM-Mars model
Hoeveelheid waterstofperoxide (H2O2) gesimuleerd in het GEM-Mars-model in de gasfase (boven), de vaste fase (tweede rij) en de hoeveelheid geadsorbeerd op waterijs (derde rij), en dit voor vier hoofdseizoenen (van links naar rechts: noordelijke lente, zomer, herfst en winter). De onderste rij toont het gesimuleerde aantal geadsorbeerde H2O2-lagen op waterijskristallen. Elke figuur toont de hoogte (y-as) versus de breedtegraad (x-as). De witte contouren geven de temperatuur (2 bovenste rijen) en het ijswatergehalte (2 onderste rijen) aan.
Bron: Daerden et al. (2023).