Belgisch meetinstrument NOMAD ontcijfert mysterie van spoorgassen op Mars

ExoMars is een gezamenlijke missie van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en het Russische ruimtevaartagentschap Roscosmos. Het gaat om een sonde die zogeheten spoorgassen meet. Dat zijn gassen die in een zeer kleine concentratie (minder dan 1 procent) in de atmosfeer zitten. Vandaar de volledige naam ExoMars Trace Gas Observer of TGO. Eén van de instrumenten aan boord is NOMAD of Nadir and Occultation for Mars Discovery. Dat toestel werd ontwikkeld door het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA) en er werkten verschillende Belgische bedrijven aan mee. Het gaat om een precisiemeetinstrument dat de hoeveelheid deeltjes per miljard luchtdeeltjes bepaalt. Dat is van een ongekende nauwkeurigheid.

In oktober 2016 kwam de ExoMars aan bij Mars. Het duurde meer dan een jaar vooraleer de sonde met behulp van de atmosfeer rond Mars kon afremmen tot de geschikte plaats voor de metingen. Nu cirkelt de satelliet 400 kilometer boven het oppervlak.

Vanop die afstand speurt NOMAD naar gassen door doorheen de atmosfeer naar de zon te kijken. Aan de hand van de absorptie van het zonlicht door de stoffen in de atmosfeer kunnen de onderzoekers achterhalen waaruit die atmosfeer bestaat. De spoorgassen geven een belangrijke indicatie van de evolutie van de rode planeet, vroeger en nu.

Voor de Marswetenschappers is methaan een belangrijk spoorgas omdat de aanwezigheid ervan kan wijzen op leven. In het verleden waren de resultaten van de metingen vrij grillig. Op sommige plaatsen en op sommige tijdstippen kwam methaan voor, op andere dan weer niet. Maar de nieuwe metingen zijn de meest gedetailleerde en die geven een waarde aan van 0,05 parts per billion volume (ppbv) of 0,05 deeltjes op een miljard luchtdeeltjes. Dat is bijzonder weinig en zelfs 10 tot 100 keer minder dan alle voorgaande waarnemingen.

Een molecule methaan heeft op Mars een levensduur van 300 jaar. De lage waarde van 0,05 ppbv komt overeen met een totale uitstoot van 500 ton methaan verspreid over de hele planeet. Dat is bijzonder weinig en het stelt de onderzoekers voor een raadsel. Als er vroeger meer methaan is gemeten en het gas zo traag afbreekt, waar is het dan op zo’n korte tijd naartoe gegaan? Voor de wetenschappers is het duidelijk. Ze moeten zoeken naar een mechanisme vlakbij het oppervlak van de planeet dat methaan snel vernietigt.

Kort nadat ExoMars eindelijk met zijn metingen begint,  breekt er een gigantische stofstorm uit op Mars. De storm is de grootste die ooit is waargenomen en treft de hele planeet. Hij maakt ook een einde aan de ritjes van de NASA-verkenner Opportunity na 15 jaar trouwe dienst. Maar de storm bood een unieke kans om na te gaan hoe het stof het water in de atmosfeer beïnvloedt. 

Zowat alle wetenschappers zijn het erover eens dat er ooit water moet geweest zijn op Mars. Vandaag is het er nog in de vorm van ‘waterijs’ en waterrijke mineralen in de grond. NOMAD meet water tot  op meer dan 80 kilometer hoogte, waar het de atmosfeer verlaat, de ruimte in. Dat het water zich zo hoog bevindt heeft te maken met de storm die het omhoog heeft gestuwd. Dit verklaart mee de verdwijning van water op Mars, zegt hoofdonderzoeker Ann Carine Vandaele bij het BIRA.

Bovendien neemt ook de hoeveelheid waterdamp toe bij de stofstorm. “Die toename vond plaats over een periode van slechts een paar dagen na het opsteken van de storm. Dat toont aan dat de atmosfeer snel reageert op de stofstorm.”

Tegelijk zagen de vorsers naast waterdamp ook halfzwaar water (HDO), waarin één waterstofatoom is vervangen door één atoom deuterium. Dat halfzwaar water ontsnapt minder snel naar de ruimte dan gewoon water. De verhouding tussen waterdamp en halfzwaar water vertelt ons meer over de geschiedenis van water op Mars. 

De puzzel is nog lang niet af. Er ontbreken puzzelstukken zoals de aanwezigheid van waterstof (een bestanddeel van water) onder de grond. Daarvoor dient een ander meetinstrument aan boord van de ExoMars, de FREND. Net als NOMAD heeft FREND al onovertroffen beelden geproduceerd. Het toestel heeft waterstof in kaart gebracht in de bevroren poolgebieden. Het heeft ook ‘natte’ en droge gronden gevonden en waterrijke mineralen in de gebieden rond de evenaar. 

De metingen duren nog minstens één Mars-jaar, wat overeenkomt met twee aardse jaren. “Met al deze data kunnen we het klimaat op Mars beter begrijpen”, meent Ann Carine Vandaele. En wie weet ooit een antwoord vinden op de vraag of mensen kunnen overleven op Mars.