El telescopio Hubble ayudó a revelar la rapidez con la que Marte pierde agua.(Crédito de la imagen: NASA/ESA/STScI/John T. Clarke (Universidad de Boston).
Los cambios estacionales pueden tener un efecto dramático en la rapidez con la que Marte pierde su agua al espacio, según ha demostrado un estudio conjunto entre el telescopio espacial Hubble y la misión Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) de la NASA.
Hace más de tres mil millones de años, Marte era cálido y húmedo, con grandes masas de agua en su superficie y una atmósfera más densa. Hoy, sin embargo, Marte está desolado, frío y seco. Entonces, ¿qué pasó con toda el agua?
«El agua sólo puede ir a dos sitios», afirma John Clarke, de la Universidad de Boston. «Puede congelarse en el suelo, o las moléculas de agua pueden romperse en átomos, y los átomos pueden escapar de la parte superior de la atmósfera al espacio».
Mucha agua de Marte sigue en el Planeta Rojo. Enormes depósitos parecen estar encerrados bajo tierra, a profundidades comprendidas entre 11,5 y 20 kilómetros. Hay agua suficiente en el interior de Marte para una capa equivalente global (GEL, que se refiere esencialmente a la profundidad que crearía un océano en todo el planeta) de entre 1 y 2 kilómetros (0,62 y 1,24 millas).
También hay cantidades relativamente pequeñas de hielo de agua encerradas en el permafrost poco profundo y en los casquetes polares de Marte. Durante el verano marciano, este hielo puede sublimarse y liberar vapor de agua en la atmósfera. La mayor parte de ese vapor de agua circula de polo a polo, congelándose en el hemisferio en el que es invierno, pero una parte se encuentra en la atmósfera superior, donde la luz ultravioleta solar puede fotodisociar las moléculas de agua H2O, separándolas en los átomos que las componen. El oxígeno del agua acaba oxidando los materiales de la superficie (de ahí el color rojo óxido de Marte) o uniéndose al carbono para formar dióxido de carbono. Mientras tanto, los átomos de hidrógeno (o su contrapartida isotópica más pesada, el deuterio) pueden escapar al espacio (si tienen la energía suficiente para alcanzar la velocidad de escape) y ser arrastrados por el viento solar.
MAVEN, que llegó a Marte en 2014, tiene la misión de medir este escape de hidrógeno.
Comparando el espesor de la atmósfera de Marte y su pérdida de agua en el perihelio con el afelio, en estas imágenes del Planeta Rojo tomadas por el telescopio espacial Hubble. (Crédito de la imagen: NASA/ESA/STScI/John T. Clarke (Universidad de Boston)).
Debido a que el deuterio, una forma pesada del hidrógeno, no escapa tan fácilmente de la atmósfera de Marte, significa que la relación entre deuterio e hidrógeno (D/H) en la atmósfera de Marte es clave, con la abundancia de deuterio en relación con el hidrógeno creciendo con el tiempo a medida que pierde hidrógeno más rápidamente. Como se supone que la Tierra y Marte obtuvieron su agua de las mismas fuentes, la relación D/H primordial del agua en Marte hace entre 3.000 y 4.000 millones de años debería haber sido la misma que en la Tierra en la actualidad. En la actualidad, la relación D/H en Marte es entre 8 y 10 veces mayor que en la Tierra. Hay ciertas ambigüedades en las mediciones, pero comparando la proporción de agua en el Marte primigenio con la actual y teniendo en cuenta la tasa de pérdida de hidrógeno y deuterio en el espacio, es posible extrapolar hacia atrás y calcular la cantidad de agua que Marte probablemente perdió a lo largo de su historia.
Basándose en las observaciones anteriores de MAVEN, Marte ha perdido suficiente agua en el espacio como para formar un GEL de entre decenas y cientos de metros de profundidad. Combinado con la enorme cantidad de agua encontrada recientemente enterrada en el interior de Marte, esto implica que el Planeta Rojo fue rico en agua en su pasado lejano.
Sin embargo, MAVEN, con la ayuda del telescopio espacial Hubble, ha encontrado ahora cierta complejidad imprevista en la historia de la pérdida de agua de Marte. Juntos, los instrumentos han demostrado que la tasa de pérdida de hidrógeno es estacional, con grandes aumentos en la tasa de escape en el perihelio, que es el punto más cercano de Marte en su órbita alrededor del sol. Esto coincide con un fuerte afloramiento de vapor de agua en la atmósfera media, causado por el calentamiento estacional. En el perihelio, el hemisferio sur de Marte se inclina hacia el Sol y el Planeta Rojo se ve envuelto en su estación anual de tormentas de polvo; el polvo suspendido en el aire puede contribuir al calentamiento atmosférico y al contenido de vapor de agua.
En el perihelio, MAVEN midió densidades de deuterio e hidrógeno en la atmósfera superior que son, respectivamente, unas 5 y 20 veces más altas que en el afelio, que es el punto más alejado de Marte del Sol en su órbita elíptica (alargada, en lugar de circular). En el afelio, la pérdida de deuterio es tan débil que MAVEN ni siquiera es lo bastante sensible para detectarla. Aquí es donde tiene que intervenir el telescopio espacial Hubble para rellenar los huecos. Las observaciones también mostraron que las tasas de escape son de 10 a 100 veces mayores para el deuterio y el hidrógeno respectivamente en el perihelio que en el afelio. En efecto, tanto el deuterio como el hidrógeno escapan tan rápidamente en el perihelio que lo único que los limita es la cantidad de vapor de agua disponible en la atmósfera.
«En los últimos años, los científicos han descubierto que Marte tiene un ciclo anual mucho más dinámico de lo que se esperaba hace 10 o 15 años», explica Clarke. «Toda la atmósfera es muy turbulenta, se calienta y se enfría en escalas de tiempo cortas, incluso de horas. La atmósfera se expande y se contrae a medida que el brillo del sol en Marte varía en un 40% en el transcurso de un año marciano.»
Esto plantea un enigma a la hora de explicar la pérdida de deuterio, que parece mayor de lo que cabría esperar por pura evasión térmica ordinaria, en la que un átomo de deuterio está lo suficientemente caliente como para tener la energía necesaria para saltar al espacio. Para aumentar la tasa de pérdida de deuterio de modo que coincida con la relación D/H observada en Marte, se requiere una inyección extra de energía en la atmósfera desde algún lugar. Esto podría provenir de protones del viento solar que entran en la atmósfera y colisionan con átomos de deuterio, o de reacciones químicas de la luz ultravioleta solar que pueden dar al deuterio un impulso extra.
Los resultados se publicaron el 26 de julio en la revista Science Advances.
