Shane Stone นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก UArizona Lunar and Planetary Laboratory และผู้เขียนนำบทความฉบับใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Scienceระบุว่าตนเองเป็นนักเคมีเกี่ยวกับดาวเคราะห์ เมื่อเป็นนักเคมีในห้องปฏิบัติการที่ช่วยพัฒนาโพลีเมอร์ที่สามารถใช้ห่อและนำส่งยารักษาโรคได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตอนนี้เขาศึกษาเคมีของบรรยากาศดาวเคราะห์

ตั้งแต่ปี 2014 เขาได้ทำงานในภารกิจ NASA MAVEN ซึ่งย่อมาจาก Mars Atmosphere และ Volatile EvolutioN ยานอวกาศ MAVEN เริ่มโคจรรอบดาวอังคารในปี 2014 และได้บันทึกองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศชั้นบนของดาวเคราะห์เพื่อนบ้านของโลกตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

"เรารู้ว่าเมื่อหลายพันล้านปีก่อน มีน้ำเป็นของเหลวบนพื้นผิวดาวอังคาร" สโตนกล่าว "ต้องมีชั้นบรรยากาศที่หนาขึ้น ดังนั้นเราจึงรู้ว่าดาวอังคารสูญเสียชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่ไปในอวกาศ MAVEN พยายามอธิบายลักษณะกระบวนการที่รับผิดชอบต่อการสูญเสียนี้ และส่วนหนึ่งก็คือเข้าใจว่าดาวอังคารสูญเสียน้ำไปอย่างไร "

ผู้ร่วมวิจัย ได้แก่ Roger Yelle ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ของ UArizona และที่ปรึกษาด้านการวิจัยของ Stone รวมถึงนักวิจัยจาก NASA Goddard Space Flight Center และศูนย์วิจัยและสำรวจด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอวกาศในรัฐแมรี่แลนด์

ดูน้ำ

ในขณะที่ MAVEN โคจรรอบดาวอังคาร มันจะตกลงสู่ชั้นบรรยากาศของโลกทุกๆ 4 1/2 ชั่วโมง เครื่องมือ NGIMS แบบออนบอร์ดซึ่งย่อมาจาก Neutral Gas และ Ion Mass Spectrometer ได้ทำการวัดปริมาณโมเลกุลของน้ำที่มีประจุที่เรียกว่าไอออนในบรรยากาศดาวอังคารตอนบนประมาณ 100 ไมล์จากพื้นผิวโลก จากข้อมูลนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถอนุมานได้ว่ามีน้ำอยู่ในบรรยากาศมากแค่ไหน

การสังเกตในอดีตโดยใช้ MAVEN และกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลแสดงให้เห็นว่าการสูญเสียน้ำจากบรรยากาศชั้นบนของดาวอังคารแตกต่างกันไปตามฤดูกาล เมื่อเปรียบเทียบกับโลก ดาวอังคารใช้เส้นทางวงรีมากกว่ารอบดวงอาทิตย์ และอยู่ใกล้ที่สุดในช่วงฤดูร้อนในซีกโลกใต้ของดาวอังคาร

สโตนและทีมของเขาพบว่าเมื่อดาวอังคารอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด ดาวเคราะห์ก็อุ่นขึ้น และมีน้ำมากขึ้น ซึ่งพบบนพื้นผิวในรูปของน้ำแข็ง จะเคลื่อนจากพื้นผิวไปยังชั้นบรรยากาศชั้นบนที่สูญเสียไปในอวกาศ สิ่งนี้จะเกิดขึ้นทุกๆ ปีบนดาวอังคารหรือทุกๆ สองปีของโลก พายุฝุ่นระดับภูมิภาคที่เกิดขึ้นบนดาวอังคารทุกๆ ปีบนดาวอังคาร และพายุฝุ่นทั่วโลกที่เกิดขึ้นทั่วโลกทุกๆ 10 ปี ทำให้เกิดความร้อนขึ้นในชั้นบรรยากาศและการเคลื่อนตัวของน้ำที่สูงขึ้น

กระบวนการที่ทำให้การเคลื่อนที่แบบวัฏจักรนี้เป็นไปได้ขัดแย้งกับภาพคลาสสิกของการหลบหนีของน้ำจากดาวอังคารซึ่งแสดงให้เห็นว่าไม่สมบูรณ์ Stone กล่าว ตามกระบวนการแบบดั้งเดิม น้ำแข็งจะถูกแปลงเป็นก๊าซและถูกทำลายโดยรังสีของดวงอาทิตย์ในชั้นบรรยากาศด้านล่าง อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้จะดำเนินไปอย่างช้าๆ สม่ำเสมอ ไม่ได้รับผลกระทบจากฤดูกาลหรือพายุฝุ่น ซึ่งไม่สอดคล้องกับการสังเกตการณ์ในปัจจุบัน

"นี่เป็นสิ่งสำคัญเพราะเราไม่ได้คาดหวังว่าจะได้เห็นน้ำในบรรยากาศชั้นบนของดาวอังคารเลย" สโตนกล่าว "ถ้าเราเปรียบเทียบดาวอังคารกับโลก น้ำบนโลกจะถูกกักขังไว้ใกล้กับพื้นผิวเพราะสิ่งที่เรียกว่า hygropause เป็นเพียงชั้นในบรรยากาศที่เย็นพอที่จะควบแน่น (และหยุด) ไอน้ำที่เดินทางขึ้นไปข้างบน"

ทีมงานโต้แย้งว่าน้ำกำลังเคลื่อนตัวผ่านจุดที่ควรจะเป็น hygropause ของดาวอังคาร ซึ่งน่าจะอุ่นเกินกว่าจะหยุดไอน้ำได้ เมื่ออยู่ในบรรยากาศชั้นบน โมเลกุลของน้ำจะแตกออกจากกันด้วยไอออนอย่างรวดเร็ว -- ภายในสี่ชั่วโมง พวกมันคำนวณ -- และจากนั้นผลพลอยได้จะสูญหายไปในอวกาศ

"การสูญเสียชั้นบรรยากาศและน้ำสู่อวกาศเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้ดาวอังคารเย็นและแห้งเมื่อเทียบกับโลกที่อบอุ่นและเปียก ข้อมูลใหม่นี้จาก MAVEN เผยให้เห็นกระบวนการหนึ่งที่การสูญเสียนี้ยังคงเกิดขึ้นในปัจจุบัน" สโตนกล่าว

โลกที่แห้งและเต็มไปด้วยฝุ่น

เมื่อทีมคาดการณ์ผลการค้นพบของพวกเขาย้อนหลังไป 1 พันล้านปี พวกเขาพบว่ากระบวนการนี้สามารถอธิบายการสูญเสียมหาสมุทรทั่วโลกได้ลึกประมาณ 17 นิ้ว

"ถ้าเราเอาน้ำมากระจายให้ทั่วพื้นผิวดาวอังคารอย่างสม่ำเสมอ มหาสมุทรของน้ำนั้นจะหายไปในอวกาศเนื่องจากกระบวนการใหม่ที่เราอธิบายไว้จะมีความลึกมากกว่า 17 นิ้ว" สโตนกล่าว "อีก 6.7 นิ้วจะหายไปเนื่องจากผลกระทบของพายุฝุ่นทั่วโลก"

ในช่วงพายุฝุ่นทั่วโลก น้ำจะถูกส่งไปยังชั้นบรรยากาศชั้นบนได้มากกว่า 20 เท่า ตัวอย่างเช่น พายุฝุ่นหนึ่งลูกทั่วโลกที่กินเวลา 45 วันจะปล่อยน้ำออกสู่อวกาศในปริมาณเท่ากันกับที่ดาวอังคารจะสูญเสียไปในช่วงปีที่ดาวอังคารสงบ หรือ 687 วันโลก

และในขณะที่สโตนและทีมของเขาไม่สามารถคาดการณ์ได้ไกลกว่า 1 พันล้านปีแล้ว เขาคิดว่ากระบวนการนี้น่าจะใช้ไม่ได้เหมือนเดิมก่อนหน้านั้น เพราะดาวอังคารอาจมีภาวะไฮโกรพอสที่แรงกว่ามานานแล้ว

"ก่อนที่กระบวนการที่เราอธิบายจะเริ่มดำเนินการ จะต้องมีการหลบหนีจากชั้นบรรยากาศไปยังอวกาศเป็นจำนวนมากอยู่แล้ว" สโตนกล่าว "เรายังจำเป็นต้องตอกย้ำผลกระทบของกระบวนการนี้และเมื่อเริ่มดำเนินการ"

ในอนาคตสโตนอยากศึกษาบรรยากาศของดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์

"ไททันมีบรรยากาศที่น่าสนใจซึ่งเคมีอินทรีย์มีบทบาทสำคัญ" สโตนกล่าว "ในฐานะอดีตนักเคมีอินทรีย์สังเคราะห์ ฉันกระตือรือร้นที่จะตรวจสอบกระบวนการเหล่านี้"