Niezwykła marsjańska chmura zaskoczyła naukowców

Każdej wiosny i każdego lata na południowej półkuli Marsa, w czasie sezonu pyłowego, pojawia się spektakularna chmura – Arsia Mons Elongated Cloud (AMEC). To najbardziej efektowna wizualnie chmura na Czerwonej Planecie – podkreślają naukowcy z Laboratorium Meteorologii Dynamicznej (LMD), działającego m.in. przy francuskim Uniwersytecie Sorbońskim.

Jak wyjaśniają, chmura ma postać białej smugi, złożonej z kryształków lodu wodnego. Pojawia się po zawietrznej stronie wznoszącego się na 20 km wulkanu Arsia Mons.

Każdego dnia powstaje, rozrasta się i zanika, rozciągając się nawet na dystansie 1800 km – niemal dwa razy większym niż długość Wielkiej Brytanii – po czym szybko odparowuje. Cykl ten powtarza się każdego ranka przez kilka miesięcy.

W 2018 roku europejska sonda Mars Express po raz pierwszy zaobserwowała nietypową chmurę i od tamtej pory wielokrotnie rejestrowała jej powstawanie. Ustalono, że jest to chmura orograficzna – to typ chmury występujący także na Ziemi, który powstaje, gdy wiatr przepływa nad nierównym terenem wulkanu lub góry.

Jednak gdy badacze próbowali dokładnie zamodelować sposób, w jaki chmura powstaje, wyniki nie odtwarzały tego, co widać na zdjęciach.

„Aby odtworzyć AMEC w naszych modelach, musieliśmy uwzględnić dość egzotyczną fizykę. Chodzi o zjawiska, które wprawdzie opisuje się w podręcznikach, ale traktuje się je jako teoretyczne i zwykle zakłada, że nie zachodzą w naturze. Z pewnością nigdy wcześniej nie obserwowano ich bezpośrednio w działaniu. Gdy uwzględniliśmy tę fizykę w symulacjach, chmura AMEC pojawiła się dokładnie tak, jak oczekiwaliśmy” – podkreśla Jorge Hernández-Bernal z LMD, główny autor nowego badania opisanego w magazynie „Nature Geoscience”.

Eksperci tłumaczą, że na Ziemi, a także na innych ciałach niebieskich chmury zwykle powstają, gdy wilgotne powietrze się ochładza, a para wodna skrapla się w ciekłe kropelki lub tworzy kryształki lodu. Najczęściej zachodzi to poprzez proces zwany nukleacją heterogeniczną, wymagający obecności w atmosferze drobnych cząstek, do których może przyczepić się para wodna i na których może się skondensować. Mogą to być na przykład sól, pyłki, sadza czy pył.

Uważa się, że na Czerwonej Planecie rolę tę pełni pył, ale wspomniana chmura jest inna.

„W przypadku AMEC wygląda na to, że chmura powstaje bez udziału takich cząstek. Para wodna przekształca się bezpośrednio w lodowe cząstki chmury, bez etapu pośredniego. To trochę tak, jakby kropelki skroplonej wody pojawiały się w środku pokoju, a nie na szybie. Nazywamy to nukleacją homogeniczną i nigdy wcześniej nie obserwowaliśmy jej w atmosferze żadnej planety. To całkowicie nieoczekiwane” – mówi Jorge Hernández-Bernal.

Sugerowano już, że taki proces może zachodzić w górnych warstwach atmosfery Ziemi i Wenus, ale dotąd go nie zaobserwowano. Wymaga on bowiem wyjątkowych warunków – wilgotności względnej przekraczającej 100 tys. razy wartości, z jakimi zwykle spotykamy się na co dzień na Ziemi.

Badacze ustalili teraz, że nietypowa marsjańska chmura powstaje w wyjątkowym miejscu, gdzie cienka atmosfera planety i ogromna wysokość pobliskiego wulkanu Arsia Mons wspólnie tworzą warunki potrzebne do zajścia tego rzadkiego procesu nukleacji homogenicznej. 

Gdy wiatr przepływa obok Arsia Mons – tłumaczą dalej eksperci – masyw wulkanu wywołuje silną falę, która w ciągu zaledwie kilku minut unosi wilgotne masy powietrza o kilka kilometrów. Atmosfera gwałtownie się wówczas ochładza – temperatura spada o około 30 stopni w ciągu 10 minut, a wilgotność względna szybko rośnie. Para wodna spontanicznie zamarza wtedy bezpośrednio, tworząc lodowe cząstki i w efekcie chmurę.

Naukowcy przyznają, że niektóre obserwacje nie do końca pasują do modelu, jednak swoje wyniki określają jako niezwykłe. „Nie dysponujemy nawet w przybliżeniu tak dużą ilością informacji o atmosferze Marsa, jak o atmosferze Ziemi, dlatego tak dokładne odtworzenie AMEC jest dużym sukcesem tego modelu” – podkreśla Hernández-Bernal.

Podobne procesy mogą według ekspertów zachodzić także na innych planetach. „Choć wydaje się, że chmurami na Ziemi i Marsie rządzą te same zasady, zrozumienie tej niezwykłej marsjańskiej chmury wymagało uwzględnienia egzotycznych zjawisk fizycznych – i podobnie może być w innych częściach kosmosu” – wyniki komentuje Colin Wilson, naukowiec programu Mars Express, który nie brał udziału w badaniu.