A légkört tekintve többnyire eltűnt. Igaz, ha egy meteorit sebességével beleszántod magad a Mars légkörébe, ahogy azt a félresikerült Mars Climate Observer tette szeptemberben, még mindig van ott annyi, hogy szétszakadj. De a legtöbb más körülmények között ez egy gyenge ürügy a légkörnek. A bolygó felszínén a nyomás a földi nyomásnak mindössze 1 százaléka.

Miért van a Marsnak ilyen kevés légköre, amikor a Vénusznak és a Földnek olyan sok van? Bár lehet, hogy egyszerűen így született, rengeteg jel utal arra, hogy a légkör egykor sokkal vastagabb volt – például a víz nyomai. Ma a Mars felszíne hideg és rendkívül száraz. A felszín azonban félreérthetetlen jeleit viseli annak, hogy egykor folyékony víz tombolt ártereken és völgyekben, partvonalakat hagyott kráterekben, és talán még óceánokat is alkotott a Nagy Északi-medencében. Nehéz nedvesnek lenni a -53 ¡C körüli átlaghőmérséklet mellett, így a folyékony víz melegséget feltételez. A meleg pedig vastag, szigetelő légkört feltételez, tele melegítő üvegházhatású gázokkal, például szén-dioxiddal.

Ha a Mars légköre valaha sokkal vastagabb volt, hová tűnt a sok gáz? A szorgalmas kutatás ellenére senki sem tudja. De az elmúlt évben a NASA Mars Global Surveyor – amely maga is a légkört használta a fékezéshez és a pályamódosításhoz – olyan információkat gyűjtött, amelyek választ adhatnak erre a kérdésre. És az eredményei egyáltalán nem olyanok, mint amire tervezői számítottak.

Az 1980-as években a kutatók kidolgoztak egy elméletet arra vonatkozóan, hogy miért volt a Mars egykor meleg és nedves. Először kiszámolták, hogy mennyi CO2 kell ahhoz, hogy a marsi jég megolvadjon és a víz áramolhasson, és egy 5 és 10 bar közötti értéket kaptak (egy bar körülbelül egy földi légkör nyomása). Ez elég sok egy olyan bolygón, ahol ma már csak néhány millibar van, ezért meg kellett magyarázniuk, hová tűnhetett azóta a CO2. Képük szerint a légkör elvetette saját pusztulásának magvait.

Ahol folyékony víz van, a CO2-légkör instabillá válik – a gáz feloldódik, kémiailag megedzi a bolygó felszínén lévő szilikátos kőzeteket, és végül karbonátok formájában záródik le. A bizonyíték a lábad alatt van. Volt idő, amikor a CO2 uralta a Föld légkörét, amely valószínűleg jóval vastagabb volt, mint ma. Mostanra, az emberiség lelkes próbálkozásai ellenére, hogy helyreállítsa a helyzetet, a CO2 a korábbi dicsőségének nyomaira apadt, és a belélegzett levegő kevesebb mint ezredrészét teszi ki.

Az ok az, hogy az évmilliárdok során a kémiai időjárás a CO2 nagy részét karbonátok formájában raktározta el. Jim Kasting, a University Park-i Pennsylvania Állami Egyetem munkatársa szerint, aki egyike volt azoknak a kutatóknak, akik összeállították a meleg, nedves, korai Mars elméletét – és az elsők között volt, aki rámutatott annak néhány hibájára -, ha az összes CO2-t, ami most a Föld karbonátos üledékeiben van elzárva, felszabadítanánk, akkor körülbelül 60 atmoszféra értékű anyagot kapnánk.

Ha a kémiai időjárás ilyen könnyen el tudja pusztítani az üvegházakat, miért nem fagyott meg a Föld, mint a Mars? A válasz a kutatók szerint az újrahasznosítás volt. A Földön a karbonátokból származó CO2 egy része a lemeztektonika révén újrahasznosul. Amikor a karbonátokban gazdag üledékek elindulnak lefelé a köpenybe egy szubdukciós zónában, ahol az egyik lemez egy másik alá csúszik, felmelegednek, és CO2-t bocsátanak vissza a légkörbe, ahol az felmelegítheti a bolygót.

A hideg kis Marson azonban úgy tűnik, hogy az újrahasznosítás nem volt ilyen jó. A Földdel ellentétben a Marsnak nincs elég belső hője ahhoz, hogy a kéreg csomóit folyamatosan ide-oda tolja, vagy hogy nagy böfögésekkel újra felszínre kerüljön, ahogy a Vénusz talán tette. Kevés bizonyíték van arra, hogy a Mars belső tüze valaha is a lemeztektonika rendszerét hajtotta volna, és bár a bolygónak lehetett más módja is arra, hogy belső hőjét a karbonátok újrahasznosítására használja, ezek a módszerek elég hamar kifogytak volna a lendületből, ahogy a bolygó belseje lehűlt. A CO2 újrahasznosítása elkezdett volna lemaradni az új karbonátok termeléséhez képest, és a légkör komolyan elkezdett volna zsugorodni.

Eddig minden rendben. A kutatóknak már csak néhány karbonátot kellett volna találniuk a bolygó felszínén, hogy megerősítsék a történetüket. A legjobb technológia erre a feladatra az űrből az infravörös spektroszkópia, amely az infravörös spektrumban az egyes ásványokra jellemző jellegzetességeket veszi észre. A Mars Global Surveyor spektrométere, a Thermal Emission Spectrometer (TES) idén végezte el a bolygó első alapos vizsgálatát, amely a felszín közel háromnegyedére terjedt ki. A műszerért felelős tudós, Phil Christensen (Arizona State University, Tempe) szerint a műszer megállapította, hogy a felszín kevesebb mint 15 százalékát teszik ki a karbonátok. Valószínűleg sokkal kevesebbet. “Próbálunk óvatosak lenni a 10-15 százalékkal – alapvetően nincs érzékelhető karbonátos jellegzetesség” – mondja Christensen. “Szerintem a TES legmélyebb felfedezése és a legérdekesebb tanulmány, amit írni fogunk, az lesz, hogy a Marson nincsenek karbonátok, legalábbis a felszínen.”

Ha Christensen gyanúja beigazolódik, akkor a Mars-kutatók néhány érdekes döntés előtt állnak. Vagy más módot kell találniuk arra, hogy megszabaduljanak a légkörtől, vagy eleve kevesebb légkörrel kell beérniük – vagy esetleg mindkettőből egy kicsit.

Előbb a többi rejtekhelyet kell elfoglalni. Valószínűleg van némi CO2 a bolygó talajába fagyva, vagy a sarki sapkák vízjeges külseje alatti szárazjég lerakódásokban rejtve (bár a Mars Global Surveyor egyéb megfigyelései némi kétséget ébresztenek a második lehetőséggel kapcsolatban). Az ilyen tartalékok tízszer annyi CO2-t tartalmazhatnak, mint amennyit jelenleg a légkörben látunk. De mivel a jelenlegi légkör kevesebb, mint egy század bar, ez nem elég a múlt és a jelen közötti különbség megmagyarázásához.

Ezután a felszín alatt karbonátok rejtőzhetnek. A Földön talált 13 marsi meteorit mindegyike tartalmaz halvány karbonátnyomokat, és a legrégebbi, az ALH 84001-es meteoriton karbonátos erek futnak keresztül. Elképzelhető, hogy a marsi föld alatt elég sok CO2-t veszíthetünk. Az azonban megint csak nem tűnik valószínűnek, hogy megszabadulhatnánk néhány bar légkörtől anélkül, hogy észrevehető karbonátos üledékek maradnának a felszínen.

Az atmoszféra tehát talán teljesen elhagyta a bolygót. Ez kétféleképpen történhetett: nagyon nagy becsapódások és nagyon kis becsapódások. A bolygó felszínébe becsapódó aszteroidák és üstökösök olyan nagy sebességgel dobhatják le a légkör nagy részeit, hogy azok végleg kikerülnek a bolygó gravitációjából. A Naprendszer nagyon korai időszakában, amikor a bolygók még csak most álltak össze, rengeteg törmelék maradt. Ebben a késői nehézbombázásként ismert időszakban a Marsot több tucat nagy és több száz kisebb darab találta el, amelyek mind a légkör egy részének elmúlását jelezhették.

Miután az aszteroidabecsapódások alulról felfelé erodálták a korai marsi légkört, egy finomabb folyamat felülről lefelé rágcsálhatta azt. A bolygó felső légkörét a napszél állandóan rázza. Ez a szél önmagában meglehetősen ártalmatlan, mivel vékony és nagyon könnyű részecskékből áll, de mágneses mezőt is hordoz. Ez képes felvenni ionokat a felső légkörből, felgyorsítani őket, majd visszacsapni társaikba. “Az ionok másodpercenként több mint 400 kilométeres sebességgel csapódhatnak be a felső légkörbe” – mondja Bruce Jakosky, a boulderi Colorado Egyetem munkatársa. “Olyan ez, mintha biliárdoznánk. A töréslövésnél mindent porrá zúzol. Teljesen kiüthetsz dolgokat a légkörből.” Ez a porlasztásnak nevezett folyamat feltehetően ma is erodálja a Mars légkörét, bár senki sem tudja, milyen gyorsan.

Hogyan illeszkednek ezek a különböző folyamatok egymáshoz? A legnagyobb tényező valószínűleg a becsapódások voltak. Kevin Zahnle, a NASA kaliforniai Ames Kutatóközpontjának munkatársa szerint a bizonyítékok arra utalnak, hogy ezek az eredeti légkör nagy részét – valójában több mint 99 százalékát – eltávolították. Szerinte ez a szám a xenon különböző izotópjainak arányát vizsgálva derül ki a légkörben.

A xenonizotópok keveréke a Mars légkörében ma sokkal nagyobb arányban tartalmaz xenon-129-et, mint a Föld légkörében vagy a Napban. A xenon-129 a jód-129 bomlásával keletkezik. Ahhoz, hogy a xenon-129 ilyen túlsúlyban legyen, az eredeti légkör – amelyben a xenonizotópok keveréke feltehetően hasonló volt, mint a Naprendszer többi részében – többé-kevésbé már azelőtt lecsupaszodott a bolygóról, hogy a bolygó belsejében lévő radioaktív jód nagy része elbomlott volna. Mivel alig volt más xenon a közelben, az újonnan felszabadult gáz gyorsan uralni kezdte volna az izotópeloszlást, ahogyan ma is teszi.

De bár Zahnle számításai szerint a becsapódási erózió bibliai méretű csapás volt, nem sikerült az egész légkört lehúznia. Nehéz megmondani, milyen vastag volt ez a maradék légkör, de jóval vastagabb lehetett, mint ma.

Zahnle szerint a légkör egy része a kéregben rekedve vészelte át a bombázást, és csak akkor bukkant elő, amikor már biztonságos volt. Az idén nyáron a kaliforniai Pasadenában megrendezett V. Nemzetközi Marskonferencián – az első igazán nagy találkozón, amelyet a Mars Global Surveyor szédítő új eredményeivel telítettek – bemutatott tanulmányukban Mattathu Mathew és Kurt Marti, a San Diegó-i Kaliforniai Egyetem munkatársai ismertették az ALH 84001 meteoritban rekedt gázok új elemzését.

Ezek az ősi marsi gázok nyilvánvalóan megfelelnek annak az időnek, amikor a kőzet először keletkezett. Egészen olyan xenonarányt hordoznak, mint amilyet ma látunk, és így feltehetően az első nagy nyúzást követően keletkeztek. A meteorit nitrogénizotópjai azonban megkülönböztetik a mai marsi légkörtől. A mai légkör erősen dúsul a nitrogén nehéz izotópjaival. Mathew mintái az ALH 84001-ből azonban nem mutatnak ilyen dúsulást.

Történetesen a porlasztás különösen jól távolítja el a könnyű nitrogént. A légkör felsőbb rétegeiben nagyon kevés a turbulencia, és így egy finom izotópos rétegződés megy végbe, ahol az egyes gázok könnyebb izotópjai emelkednek felfelé. Mivel a porlasztás felülről lefelé működik, nagyobb valószínűséggel veri ki a könnyebb izotópokat, mint a nehezebbeket. Az ALH 84001 mintája tehát úgy néz ki, mintha egy olyan időszakból származna, amikor a porlasztás még nem kezdődött el – egy olyan időszakból, amikor a Mars felső légköre még védve volt a napszél fosztogatásaitól. És itt jön a képbe a Mars Global Surveyor egy másik érdekes felfedezése.

Amíg az űrszonda a Mars felső légkörét használta a pályamódosításhoz, elég alacsonyan repült a bolygó déli fennsíkja felett – elég alacsonyan ahhoz, hogy magnetométere váratlan jeleket észleljen a kéregből. Azóta világossá vált, hogy bár a Marsnak ma nincs globális mágneses mezeje, fiatalkorában nagyon erős mágneses mezője volt, amelynek nyomai a kéregbe vésődtek. A Mars azonban túl kicsi volt ahhoz, hogy sokáig fenntartsa az ilyen erőfeszítéseket. A belső energia, amely a mágneses dinamóját hajtotta, meglehetősen gyorsan elfogyhatott, mivel csak a legrégebbi kéregben látható a mágneses mező nyoma.

Amíg a mágneses mező létezett, megvédte a bolygót a napszél fosztogatásaitól. Tehát a bombázás utáni atmoszféra ésszerűen vastag maradhatott – vagy legalábbis vastagabb, mint ma -, amíg a mágneses mező fennmaradt.

De vajon elég volt-e a víz? Nehéz megmondani. Senki sem tudja, milyen gyorsan történik ma a porlasztás, vagy milyen erős volt a napszél a korai Naprendszerben. Míg a legtöbb becslés szerint a porlasztási veszteség körülbelül egy tized bar volt a bolygó élete során, Jakosky – aki néhány ilyen előrejelzést tett – szerint elképzelhető, hogy ennek tízszerese is lehetett.

Ez még mindig nem érné el azt az 5-10 bar közötti nyomást, amiről a kutatók eredetileg úgy gondolták, hogy egy tartós, viszonylag nedves korai időszak magyarázatához szükséges. De lehet, hogy túlbecsülték a bolygó igényeit. Azok a modellek, amelyek sok bar CO2-t igényeltek a folyékony víz jelenlétének magyarázatához, nem vették figyelembe a felhők kialakulását. Kiderült, hogy a szilárd CO2-felhők elvileg elég szépen felmelegíthették a Marsot, még akkor is, ha a légköri nyomás csak fél bar volt.

1997 novemberében Francois Forget a párizsi Pierre és Marie Curie Egyetemről és Raymond Pierrehumbert a Chicagói Egyetemről kiszámította, hogy egy ilyen légkörben a nagy szárazjégkristályok nagyon jól szórhatják vissza a hősugárzást a talaj felé, miközben átengedik a beérkező látható és ultraibolya fényt (Science, vol 273, p 1273). A vékony, de felhős légkör felmelegíthette a Marsot történelmének legkorábbi szakaszaiban, majd elporladt, amikor a lehűlő mag leállította a mágneses mezőt. Ahogy a légkör elvékonyodott, a talaj képes lett volna elnyelni a viszonylag kis mennyiségű CO2 nagy részét, és a karbonáttermelés minimális lehetett.

A probléma az, hogy csak azért, mert a hűlő felhők megtalálhatók egy modellben, még nem jelenti azt, hogy a valóságban valaha is ott voltak. És Kasting rámutat, hogy míg egyes felhőfajták felmelegíthették a felszínt, mások lehűthették – ahogy a Földön is különböző felhők különböző módon befolyásolják a hőmérsékletet.

Aztán ott van az a lehetőség, hogy valójában soha nem is volt olyan meleg. A víz elég hideg helyeken is képes arra, hogy folyékony legyen, legalábbis múlóan, és egyesek szerint a Mars felszínén található vízjelek nagy része néhány rövid, nedves katasztrófa során keletkezhetett. Ahogy Zahnle fogalmaz: “Láttam bizonyítékokat folyékony szilikátlávákról a Föld felszínén: kell-e ebből arra következtetnem, hogy a globális hőmérséklet 1500 K volt? Mindössze annyit tudok tisztességesen megállapítani, hogy a folyadék ott volt, és hogy a folyadék forró volt”. A folyóvölgyek a helyi vulkanizmus vagy becsapódások által felmelegített talajvíz hatására alakulhattak ki. Vagy kialakulhattak átmeneti jégtakarók alatt, amelyek később elolvadtak.

Meglehet, hogy a meleg nagyon rövid időszakokban érkezett. Ez megmagyarázná, hogy a völgyek jelenléte ellenére sok régi kráterben miért van kevés bizonyíték a tartós erózióra, és némelyikük szinte Hold-szerű élességű maradt.

Victor Baker, az arizonai Tucsoni Egyetem munkatársa úgy véli, hogy a Mars néha valóban nagyon nedves volt, köszönhetően a bolygó belsejéből származó gázoknak, amelyek meleg vizet kényszerítettek a kéreg mélyéről a felszínre. Ezek az áradások azonban csak tízezer évig tarthattak. Még egy tucatnyi ilyen csapadékos időszak is csak a Mars történetének egy apró töredékét tenné ki, és a déli felföldet érintetlenül hagyná az erózió.

Nem kellene, hogy meglepő legyen, hogy egy egész bolygót nem lehet néhány űrmisszióval értelmezni. De a Mars múltjának összetettsége és látszólagos ellentmondásai rávezetnek erre a tanulságra. A Mars története sokkal összetettebb lehet, mint azt a “akkor meleg és nedves, most hideg és száraz” modell lehetővé tette. A Mars első egymilliárd éve mindenféle zavarba ejtő rejtélyt felvethetett, és ezek megoldására a kutatók olyan elméleteket javasolnak, amelyek Jakosky elképzeléseihez hasonlóan a bolygó olvadt szívétől az űr pereméig terjednek. A vékony marsi légkör lehet, hogy rossz bolygótakaró, de mint a spekulációk ugródeszkája felülmúlhatatlan.n

Oliver Morton tudományos író Londonban él

New Scientist száma: 99. november 20.