Som atmosfären är, har den i stort sett försvunnit. Om du plöjer in i Marsatmosfären med en meteorits hastighet, som den missriktade Mars Climate Observer gjorde i september, finns det visserligen fortfarande tillräckligt mycket där för att slita dig i stycken. Men under de flesta andra omständigheter är det en dålig ursäkt för en atmosfär. Vid planetens yta är trycket ynka 1 procent av trycket på jorden.

Varför ska Mars ha så lite atmosfär när Venus och jorden har så mycket? Även om den helt enkelt kan ha fötts på det sättet finns det gott om indikationer på att atmosfären en gång var mycket tjockare – spåren av vatten, till exempel. I dag är Mars yta kall och ytterst torr. Men ytan bär omisskännliga tecken på att flytande vatten en gång rasade genom översvämningskanaler och dalar, lämnade strandlinjer i kratrar och kan till och med ha bildat oceaner i Great Northern Basin. Det är svårt att vara våt med en medeltemperatur på cirka -53 ¡C, så flytande vatten innebär värme. Och värme förutsätter en tjock isolerande atmosfär, full av uppvärmande växthusgaser som koldioxid.

Om Marsatmosfären en gång var mycket tjockare, vart tog då all gas vägen? Trots flitigt sökande vet ingen det. Men under det senaste året har NASA:s Mars Global Surveyor – som själv använde atmosfären för att bromsa och ändra omloppsbana – samlat in information som skulle kunna besvara den frågan. Och dess resultat är inte alls vad dess konstruktörer förväntade sig.

På 1980-talet utvecklade forskare en teori om varför Mars en gång var varm och våt. Först beräknade de hur mycket koldioxid som skulle krävas för att smälta marsiansk is och låta vatten flöda, och kom fram till en siffra på mellan 5 och 10 bar (en bar är trycket från ungefär en jordatmosfär). Det är ganska mycket för en planet med bara några få millibars kvar i dag, så de var tvungna att förklara var CO2:n kan ha försvunnit till sedan dess. Enligt deras bild sådde atmosfären fröna till sin egen förstörelse.

När det finns flytande vatten i närheten blir en CO2-atmosfär instabil – gasen löses upp, vittrar kemiskt silikatstenarna på planetens yta och låses slutligen in i form av karbonater. Beviset finns under era fötter. Det fanns en tid då koldioxid dominerade jordens atmosfär, som förmodligen var betydligt tjockare än den är i dag. Nu har koldioxid, trots mänsklighetens ivriga försök att rätta till saken, minskat till ett spår av sin forna glans och utgör mindre än en tusendel av den luft vi andas.

Anledningen är att kemisk vittring under miljarder år har lagrat en stor mängd koldioxid i form av karbonater. Enligt Jim Kasting från Pennsylvania State University i University Park, som var en av de forskare som sammanställde teorin om den varma, våta, tidiga Mars – och en av de första att påpeka några av dess brister – skulle man, om man släppte ut all koldioxid som nu är inlåst i jordens karbonatsediment, få ut ungefär 60 atmosfärer av ämnet.

Om kemisk vittring kan förstöra växthus så lätt, varför frös jorden då inte som Mars gjorde? Svaret, bestämde forskarna, var återvinning. På jorden återvinns en del av koldioxid från karbonater genom plattentektonik. När karbonatrika sediment börjar sin resa ner i manteln vid en subduktionszon, där en platta glider under en annan, värms de upp och frigör koldioxid tillbaka till atmosfären, där det kan värma planeten.

På kalla lilla Mars verkar återvinningen dock inte ha varit så bra. Till skillnad från jorden har Mars inte tillräckligt med inre värme för att fortsätta att skjuta runt klumpar av sin jordskorpa, eller för att återuppstå med stora uppstötningar, som Venus kan ha gjort. Det finns få bevis för att Mars inre eldar någonsin drev ett plattektoniskt system, och även om planeten mycket väl kan ha haft några andra sätt att använda sin inre värme för att återvinna karbonater, skulle de ha tagit slut ganska tidigt när planetens inre svalnade. Återvinningen av koldioxid skulle ha börjat släpa efter produktionen av nya karbonater, och atmosfären skulle ha börjat krympa på allvar.

Så långt så bra. Nu behövde forskarna bara hitta några karbonater på planetens yta för att bekräfta sin historia. Den bästa tekniken för att göra jobbet från rymden är infraröd spektroskopi, som fångar upp egenskaper i det infraröda spektrumet som är unika för specifika mineraler. I år slutförde Mars Global Surveyors spektrometer, Thermal Emission Spectrometer (TES), sin första grundliga studie av planeten och täckte nästan tre fjärdedelar av ytan. Enligt den forskare som ansvarar för instrumentet, Phil Christensen från Arizona State University i Tempe, har det visat sig att karbonater utgör mindre än 15 procent av ytan. Förmodligen mycket mindre. ”Vi försöker vara försiktiga med de 10 eller 15 procenten – det finns i princip ingen urskiljbar karbonatsignatur”, säger Christensen. ”Min gissning är att den mest djupgående upptäckt som TES kommer att göra och den mest intressanta artikel vi kommer att skriva är att det inte finns några karbonater på Mars, åtminstone inte på ytan.”

Om Christensens misstankar är korrekta står Marsforskarna inför några spännande val. De måste antingen hitta ett annat sätt att bli av med atmosfären eller nöja sig med mindre atmosfär från början – eller möjligen göra lite av båda.

Ta de andra gömställena först. Det finns förmodligen en del koldioxid som är frusen i planetens jord, eller gömd i torrisavlagringar under polarkapselns vattenisytor (även om andra observationer från Mars Global Surveyor kastar vissa tvivel på den andra möjligheten). Sådana reservoarer skulle kunna stå för tio gånger mer koldioxid än vad som för närvarande finns i atmosfären. Men eftersom den nuvarande atmosfären är mindre än en hundradel av en bar är detta inte tillräckligt för att förklara skillnaden mellan dåtid och nutid.

Då kan det finnas karbonater gömda under ytan. De 13 marsmeteoriter som hittats på jorden innehåller alla svaga spår av karbonat, och den äldsta av dem, ALH 84001, har ådror av karbonat som löper genom den. Det är tänkbart att man skulle kunna förlora en ganska stor mängd koldioxid i Marsians underjordiska miljö. Men återigen verkar det inte troligt att man skulle kunna göra sig av med några bar atmosfär utan att lämna några urskiljbara karbonatsediment på ytan.

Så kanske atmosfären lämnade planeten helt och hållet. Det finns två sätt som detta kan ha hänt: mycket stora nedslag och mycket små nedslag. Asteroider och kometer som träffar en planets yta kan slänga bort stora delar av atmosfären med så höga hastigheter att de undslipper planetens gravitation för gott. I solsystemets mycket tidiga dagar, när planeterna precis hade satts ihop, fanns det gott om spillror kvar. Under denna period, som kallas det sena tunga bombardemanget, träffades Mars av dussintals stora bitar och hundratals mindre, som alla kan markera att delar av atmosfären passerat.

När asteroidnedslag eroderade den tidiga Marsatmosfären nerifrån och upp kan en subtilare process ha gnagt på den uppifrån och ner. Planetens övre atmosfär är ständigt utsatt för solvinden. I sig är denna vind ganska ofarlig, eftersom den är tunn och består av mycket lätta partiklar, men den bär också på ett magnetfält. Det kan ta upp joner från den övre atmosfären, accelerera dem och sedan slunga dem tillbaka till sina medmänniskor. ”Jonerna kan slungas in i den övre atmosfären med mer än 400 kilometer per sekund”, säger Bruce Jakosky vid University of Colorado i Boulder. ”Det är som att spela biljard. Vid brytskottet slår man allting i spillror. Man kan slå ut saker ur atmosfären helt och hållet.” Den här processen, som kallas sputtering, tros fortfarande erodera Mars-atmosfären i dag, även om ingen vet hur snabbt.

Hur passar dessa olika processer ihop? Den största faktorn var förmodligen effekterna. Enligt Kevin Zahnle vid NASA:s Ames Research Center i Kalifornien tyder bevisen på att de avlägsnade en enorm mängd av den ursprungliga atmosfären – mer än 99 procent av den faktiskt. Denna siffra, säger han, kommer från att titta på förhållandet mellan olika isotoper av xenon i atmosfären.

Blandningen av xenonisotoper i Marsatmosfären i dag innehåller en mycket högre andel xenon-129 än vad som finns i jordens atmosfär eller i solen. Xenon-129 produceras genom sönderfall av jod-129. För att xenon-129 ska vara så dominerande måste den ursprungliga atmosfären – där blandningen av xenonisotoper förmodligen liknade den i resten av solsystemet – mer eller mindre ha avskalats från planeten innan det mesta av det radioaktiva jodet inuti planeten hade sönderfallit. Med knappt någon annan xenon i närheten skulle den nyligen frigjorda gasen snabbt ha kommit att dominera isotopfördelningen, vilket den gör idag.

Men även om Zahnles beräkningar tyder på att nedslagserosionen var ett gissel av bibliska proportioner lyckades den inte flå bort hela atmosfären. Det är svårt att säga hur tjock den kvarvarande atmosfären var, men den kan ha varit en bra bit tjockare än vad den är idag.

Zahnle tror att en del av atmosfären kan ha suttit ut under bombardemanget instängd i jordskorpan och kommit ut först när det var säkert att göra det. I en artikel som presenterades vid den femte internationella marskonferensen i Pasadena, Kalifornien, i somras – det första riktigt stora mötet som var mättat av de nya, häpnadsväckande resultaten från Mars Global Surveyor – beskrev Kattathu Mathew och Kurt Marti från University of California, San Diego, en ny analys av de gaser som var instängda i meteoriten ALH 84001.

Dessa gamla marsianska gaser motsvarar tydligen tiden då stenen först bildades. De bär på ett xenonförhållande som är ganska likt det som ses i dag, och är därför antagligen postdaterade till den första stora avslagningen. Men meteoritens kväveisotoper skiljer den från den moderna Marsatmosfären. Dagens atmosfär är starkt berikad med den tunga kväveisotopen. Men Mathews prover av ALH 84001 visar ingen sådan anrikning.

Som det är nu är det så att sputtering är särskilt bra på att avlägsna lätt kväve. I de övre delarna av atmosfären finns det mycket lite turbulens, och därför sker en känslig isotopskiktning, där de lättare isotoperna av varje gas stiger upp till toppen. Eftersom sputtering fungerar uppifrån och ned är det mer sannolikt att den slår ut lättare isotoper än de tyngre. Så provet i ALH 84001 ser ut att komma från en tid då sputtringen ännu inte hade börjat – från en tid då Mars övre atmosfär var skyddad mot solvindens plundring. Och det är här en annan fascinerande upptäckt från Mars Global Surveyor kommer in.

Medans rymdfarkosten använde sig av Mars övre atmosfär för att ändra sin bana, flög den ganska lågt över planetens södra högland – tillräckligt lågt för att dess magnetometer skulle kunna fånga upp oväntade signaler från jordskorpan. Sedan dess har det visat sig att även om Mars inte har något globalt magnetfält i dag hade den i sin ungdom ett mycket starkt sådant, och att spåren av detta fanns inpräglade i dess skorpa. Återigen var Mars för liten för att upprätthålla sådana ansträngningar under lång tid. Den inre energi som drev dess magnetiska dynamo måste ha tagit slut ganska snabbt, eftersom det bara är i den äldsta skorpan som magnetfältets signatur har kunnat ses.

Så länge magnetfältet fanns, skulle det ha skyddat planeten från solvindens plundringar. Så atmosfären efter bombningen kan ha kunnat förbli någorlunda tjock – eller åtminstone tjockare än den är idag – så länge magnetfältet höll i sig.

Men fanns det tillräckligt för att förklara vattnet? Det är svårt att säga. Ingen vet hur snabbt sputtringen sker idag, eller hur stark solvinden var i det tidiga solsystemet. Medan de flesta uppskattningar har satt sputterförlusten till en tiondels bar eller så under planetens livstid, menar Jakosky – som gjorde några av dessa förutsägelser – att den kan tänkas ha varit tio gånger större.

Det skulle ändå inte räcka till det tryck på mellan 5 och 10 bar som forskarna ursprungligen trodde att de behövde för att förklara en ihållande, relativt blöt period tidigt i tiden. Men de kan ha överskattat planetens krav. De modeller som krävde många bar koldioxid för att förklara förekomsten av flytande vatten tog inte hänsyn till molnbildning. Det visar sig att moln av fast koldioxid i princip skulle kunna ha värmt upp Mars ganska bra, även med ett atmosfärstryck på bara en halv bar.

I november 1997 beräknade Francois Forget från Pierre och Marie Curie-universitetet i Paris och Raymond Pierrehumbert från University of Chicago att stora kristaller av torr is i en sådan atmosfär skulle kunna vara mycket bra på att sprida värmestrålning tillbaka mot marken, samtidigt som de låter inkommande synligt och ultraviolett ljus passera (Science, vol 273, s 1273). En tunn men molnig atmosfär kan ha uppvärmt Mars under de tidigaste faserna av dess historia och sedan sprutades bort när den kylande kärnan stängde av magnetfältet. När atmosfären tunnades ut skulle jorden ha kunnat absorbera det mesta av den relativt lilla mängden koldioxid, och karbonatproduktionen skulle ha varit minimal.

Problemet är att bara för att kylande moln kan hittas i en modell betyder det inte att de någonsin funnits där i verkligheten. Och Kasting påpekar att medan vissa typer av moln kan ha värmt upp ytan kan andra ha kylt ner den – precis som olika moln påverkar temperaturen på olika sätt på jorden.

Då finns det en möjlighet att det egentligen aldrig var så varmt från början. Vatten kan lyckas bli flytande på ganska kalla ställen, åtminstone tillfälligt, och vissa tror att en stor del av vattenmärkena på Mars yta kan ha bildats under några korta, våta katastrofer. Som Zahnle uttrycker det: ”Jag har sett bevis på flytande silikatlava på jordens yta: behöver jag dra slutsatsen att den globala temperaturen var 1 500 K? Allt jag kan dra en rimlig slutsats är att vätskan fanns där, och att vätskan var varm.” Floddalarna kan ha bildats genom inverkan av grundvatten som värmts upp av lokal vulkanism eller nedslag. Eller så kan de ha bildats under tillfälliga istäcken som senare sublimerades bort.

Kanske kom värmen i mycket korta perioder. Det skulle förklara varför det, trots förekomsten av dalar, finns få tecken på ihållande erosion i många av de gamla kratrarna, och vissa av dem behåller en nästan månliknande skärpa.

Victor Baker vid University of Tucson i Arizona tror att Mars ibland har varit mycket blöt tack vare att gaser från planetens inre tvingade ut varmt vatten från djupet av jordskorpan på ytan. Men dessa översvämningar skulle bara ha varat i tiotusentals år eller så. Även ett dussin sådana våtperioder skulle bara utgöra en liten del av Mars historia och lämna det södra höglandet orört av erosion.

Det borde egentligen inte komma som en överraskning att man inte kan förstå en hel planet med några få rymduppdrag. Men komplexiteten och de skenbara motsägelserna i Mars förflutna tvingar in denna läxa. Mars historia kan vara mer komplex än vad modellen ”varm och blöt då, kall och torr nu” tillåter. Mars första miljarder år kan ha gett upphov till alla slags förbryllande gåtor, och för att lösa dem kommer forskarna att föreslå teorier som i likhet med Jakoskys idéer sträcker sig från planetens smälta hjärta till rymdens yttersta rand. Den tunna marsianska atmosfären må vara en dålig planetarisk filt, men som språngbräda för spekulationer är den oöverträffad.n

Oliver Morton är vetenskapsskribent och bosatt i London

New Scientist nummer: 20 november 99