Zoals atmosferen gaan, is ze grotendeels verdwenen. Toegegeven, als je met de snelheid van een meteoriet in de atmosfeer van Mars ploegt, zoals de misleide Mars Climate Observer in september deed, is er nog genoeg om je te verscheuren. Maar onder de meeste andere omstandigheden is het een slecht excuus voor een atmosfeer. Aan het oppervlak van de planeet is de druk maar 1 procent van die op aarde.

Waarom zou Mars zo weinig atmosfeer hebben, terwijl Venus en de Aarde er zoveel hebben? Misschien is het gewoon zo ontstaan, maar er zijn genoeg aanwijzingen dat de atmosfeer ooit veel dikker was – het bewijs van water, bijvoorbeeld. Vandaag de dag is het oppervlak van Mars koud en extreem dor. Maar het oppervlak vertoont onmiskenbare tekenen dat vloeibaar water ooit door overstromingskanalen en valleien stroomde, kustlijnen in kraters achterliet en misschien zelfs oceanen heeft gevormd in het Grote Noordelijke Bekken. Het is moeilijk nat te zijn bij een gemiddelde temperatuur van -53 ¡C, dus vloeibaar water impliceert warmte. En warmte impliceert een dikke isolerende atmosfeer, vol verwarmende broeikasgassen zoals kooldioxide.

Als de atmosfeer van Mars ooit veel dikker was, waar is al dat gas dan gebleven? Ondanks ijverig zoeken, weet niemand het. Maar in het afgelopen jaar heeft NASA’s Mars Global Surveyor – die zelf de atmosfeer gebruikte om af te remmen en van baan te veranderen – informatie verzameld die die vraag zou kunnen beantwoorden. En zijn bevindingen zijn helemaal niet wat zijn ontwerpers verwachtten.

In de jaren tachtig ontwikkelden onderzoekers een theorie over waarom Mars ooit warm en nat was. Eerst berekenden zij hoeveel CO2 er nodig was om het ijs op Mars te laten smelten en water te laten stromen. Zij kwamen uit op een cijfer tussen 5 en 10 bar (één bar is de druk van ongeveer één aardatmosfeer). Dat is nogal veel voor een planeet die nu nog maar een paar millibar heeft, dus moesten zij verklaren waarheen de CO2 sindsdien verdwenen zou kunnen zijn. Volgens hun beeld heeft de atmosfeer de zaden van zijn eigen ondergang gezaaid.

Wanneer er vloeibaar water is, wordt een CO2 atmosfeer onstabiel – het gas lost op, verweert chemisch de silicaatrotsen aan het oppervlak van de planeet en wordt uiteindelijk opgesloten in de vorm van carbonaten. Het bewijs ligt onder je voeten. Er was een tijd dat CO2 de atmosfeer van de aarde overheerste, die waarschijnlijk een stuk dikker was dan vandaag. Nu, ondanks pogingen van de mensheid om de zaak te herstellen, is CO2 geslonken tot een spoor van zijn vroegere glorie, en maakt minder dan een duizendste deel uit van de lucht die we inademen.

De reden is dat in de loop van miljarden jaren, chemische verwering een grote hoeveelheid CO2 heeft opgeslagen als carbonaten. Volgens Jim Kasting van de Pennsylvania State University in University Park, een van de onderzoekers die de warme, natte, vroege Mars-theorie heeft opgesteld – en een van de eersten die op een aantal tekortkomingen daarvan heeft gewezen – zou je, als je alle CO2 die nu in de carbonaatafzettingen van de aarde is opgesloten, zou vrijlaten, ongeveer 60 atmosfeer aan CO2 krijgen. Het antwoord, zo besloten de onderzoekers, was recycling. Op aarde wordt een deel van de CO2 uit carbonaten gerecycleerd via platentektoniek. Wanneer carbonaatrijke sedimenten aan hun reis naar de mantel beginnen bij een subductiezone, waar een plaat onder een andere schuift, worden ze verhit en komt CO2 vrij in de atmosfeer, waar het de planeet kan opwarmen.

Op het koude Marsje lijkt de recycling echter niet zo goed te zijn geweest. In tegenstelling tot de Aarde heeft Mars niet genoeg interne hitte om brokken van zijn korst rond te blijven duwen, of om zichzelf weer aan de oppervlakte te brengen met grote oprispingen, zoals Venus misschien heeft gedaan. Er is weinig bewijs dat de inwendige vuren van Mars ooit een systeem van platentektoniek hebben aangedreven, en hoewel de planeet misschien andere manieren heeft gehad om zijn inwendige hitte te gebruiken om carbonaten te recyclen, zouden die al vrij snel zijn uitgeput toen het inwendige van de planeet afkoelde. CO2-recycling zou zijn achtergebleven bij de productie van nieuwe carbonaten, en de atmosfeer zou serieus zijn gaan krimpen.

Zo ver zo goed. Nu hoefden de onderzoekers alleen nog maar wat carbonaten op het oppervlak van de planeet te vinden om hun verhaal te bevestigen. De beste technologie om dit vanuit de ruimte te doen is infraroodspectroscopie, waarmee kenmerken in het infraroodspectrum worden opgepikt die uniek zijn voor specifieke mineralen. Dit jaar heeft de spectrometer van Mars Global Surveyor, de Thermische Emissiespectrometer (TES), zijn eerste grondige studie van de planeet voltooid, waarbij bijna driekwart van het oppervlak is bestudeerd. Volgens de wetenschapper die verantwoordelijk is voor het instrument, Phil Christensen van de Arizona State University in Tempe, heeft hij ontdekt dat carbonaten minder dan 15 procent van het oppervlak uitmaken. Waarschijnlijk veel minder. “We proberen voorzichtig te zijn met de 10 of 15 procent – er is in principe geen waarneembare carbonaatsignatuur,” zegt Christensen. “Mijn gok is dat de meest diepgaande ontdekking die TES zal doen en het interessantste artikel dat we zullen schrijven, is dat er geen carbonaten op Mars zijn, althans niet aan het oppervlak.”

Als Christensen’s vermoedens juist zijn, dan staan Mars-onderzoekers voor een aantal intrigerende keuzes. Zij moeten ofwel een andere manier vinden om de atmosfeer kwijt te raken, ofwel genoegen nemen met minder atmosfeer – of misschien een beetje van beide.

Neem eerst de andere schuilplaatsen. Er is waarschijnlijk wat CO2 bevroren in de bodem van de planeet, of verborgen in droog-ijs afzettingen onder het water-ijs exterieur van de poolkappen (hoewel andere waarnemingen van Mars Global Surveyor werpen enige twijfel over die tweede mogelijkheid). Dergelijke reservoirs zouden tien keer zoveel CO2 kunnen bevatten als nu in de atmosfeer aanwezig is. Maar aangezien de huidige atmosfeer minder dan een honderdste van een staaf is, is dat niet genoeg om het verschil tussen het verleden en het heden te verklaren.

Dan zouden er carbonaten onder het oppervlak verborgen kunnen zijn. De 13 Martiaanse meteorieten die op aarde zijn gevonden bevatten allemaal zwakke sporen van carbonaat, en de oudste daarvan, ALH 84001, heeft aders van carbonaat die er doorheen lopen. Het is denkbaar dat je een behoorlijke hoeveelheid CO2 verliest in de Martiaanse ondergrond. Maar nogmaals, het lijkt niet waarschijnlijk dat je een paar maten atmosfeer kunt kwijtraken zonder enig waarneembaar carbonaat sediment aan het oppervlak achter te laten.

Dus misschien is de atmosfeer wel helemaal van de planeet verdwenen. Er zijn twee manieren waarop dit kan zijn gebeurd: zeer grote inslagen en zeer kleine inslagen. Asteroïden en kometen die op het oppervlak van een planeet inslaan, kunnen met zo’n hoge snelheid grote delen van de atmosfeer wegwerpen, dat ze voorgoed aan de zwaartekracht van de planeet ontsnappen. In de allereerste dagen van het zonnestelsel, toen de planeten nog maar net waren samengesteld, was er nog veel puin over. Tijdens deze periode, die bekend staat als het late zware bombardement, werd Mars getroffen door tientallen grote brokken en honderden kleinere, die allemaal het passeren van delen van de atmosfeer konden markeren.

Nadat inslagen van asteroïden de vroege Marsatmosfeer van onderaf erodeerden, kan een subtieler proces er van bovenaf aan geknabbeld hebben. De bovenste atmosfeer van de planeet wordt voortdurend geraakt door de zonnewind. Op zich is deze wind vrij onschadelijk, omdat hij dun is en uit zeer lichte deeltjes bestaat, maar hij draagt ook een magnetisch veld met zich mee. Dit kan ionen uit de bovenste atmosfeer oppikken, ze versnellen en dan terugslaan naar hun soortgenoten. “Je kunt ionen met een snelheid van meer dan 400 kilometer per seconde de bovenste atmosfeer in slingeren,” zegt Bruce Jakosky van de Universiteit van Colorado in Boulder. “Het is net als biljarten. Bij de breakshot sla je alles aan diggelen. Je kunt dingen helemaal uit de atmosfeer slaan.” Dit proces, dat sputtering wordt genoemd, zou vandaag de dag nog steeds de atmosfeer van Mars eroderen, hoewel niemand weet hoe snel.

Hoe passen deze verschillende processen in elkaar? De grootste factor was waarschijnlijk de inslag. Volgens Kevin Zahnle van NASA’s Ames Research Center in Californië, wijst alles erop dat die een enorme hoeveelheid van de oorspronkelijke atmosfeer hebben weggenomen – meer dan 99 procent zelfs. Dat cijfer, zegt hij, komt van het bekijken van de verhoudingen van verschillende isotopen van xenon in de atmosfeer.

Het mengsel van xenon-isotopen in de huidige Martiaanse atmosfeer bevat een veel hoger percentage xenon-129 dan in de aardatmosfeer of in de zon wordt aangetroffen. Xenon-129 wordt geproduceerd door het verval van jodium-129. Om xenon-129 zo dominant te laten zijn, moet de oorspronkelijke atmosfeer – waarin het mengsel van xenon-isotopen vermoedelijk gelijk was aan dat in de rest van het zonnestelsel – min of meer van de planeet zijn verwijderd voordat het meeste radioactieve jodium in de planeet was vergaan. Met nauwelijks ander xenon in de buurt, zou het nieuw vrijgekomen gas snel de isotopenverdeling zijn gaan domineren, zoals het nu ook doet.

Maar hoewel de berekeningen van Zahnle suggereren dat de inslagerosie een plaag van bijbelse proporties was, slaagde het er niet in om de hele atmosfeer weg te vagen. Het is moeilijk te zeggen hoe dik die overblijvende atmosfeer was, maar hij kan een flink stuk dikker geweest zijn dan hij vandaag is.

Zahnle denkt dat een deel van de atmosfeer het bombardement uitgezeten kan hebben, opgesloten in de korst, en pas te voorschijn kwam wanneer het veilig was om dat te doen. In een artikel dat deze zomer werd gepresenteerd op de Vijfde Internationale Mars Conferentie in Pasadena, Californië – de eerste echt grote bijeenkomst die werd overspoeld met de nieuwe bevindingen van de Mars Global Surveyor – beschreven Mattathu Mathew en Kurt Marti van de Universiteit van Californië, San Diego, een nieuwe analyse van de gassen die zijn opgesloten in de meteoriet ALH 84001.

Deze oude Martiaanse gassen komen blijkbaar overeen met de tijd toen het gesteente voor het eerst werd gevormd. Zij vertonen een xenon-verhouding, gelijk aan die van vandaag, en dateren dus vermoedelijk van na de eerste grote afsplitsing. Maar de stikstofisotopen van de meteoriet onderscheiden hem van de moderne Martiaanse atmosfeer. De huidige atmosfeer is sterk verrijkt met de zware isotoop van stikstof. Maar Mathew’s monsters van ALH 84001 vertonen zo’n verrijking niet.

Sputteren is namelijk bijzonder goed in het verwijderen van lichte stikstof. In de bovenste regionen van de atmosfeer is er weinig turbulentie, en dus vindt er een delicate isotopische gelaagdheid plaats, waarbij de lichtere isotopen van elk gas naar de top stijgen. Omdat sputteren van boven naar beneden werkt, is de kans groter dat lichtere isotopen worden weggeslingerd dan de zwaardere. Het monster in ALH 84001 lijkt dus uit een tijd te stammen waarin het sputteren nog niet was begonnen – uit een tijd waarin de bovenste atmosfeer van Mars nog beschermd was tegen de plunderingen van de zonnewind. En dit is waar een andere intrigerende ontdekking van Mars Global Surveyor om de hoek komt kijken.

Terwijl het ruimtevaartuig de bovenste atmosfeer van Mars gebruikte om zijn baan te veranderen, vloog het vrij laag over de zuidelijke hooglanden van de planeet – laag genoeg voor zijn magnetometer om onverwachte signalen van de korst op te pikken. Sindsdien is duidelijk geworden dat, hoewel Mars nu geen globaal magnetisch veld heeft, het in zijn jeugd een zeer sterk magnetisch veld had, waarvan sporen in zijn korst waren ingeprent. Ook hier was Mars te klein om dergelijke inspanningen lang vol te houden. De interne energie die zijn magnetische dynamo aandreef moet vrij snel uitgeput zijn, want alleen in de oudste korst is de signatuur van het magnetisch veld te zien.

Zolang het magnetisch veld aanwezig was, zou het de planeet beschermd hebben tegen de plunderingen van de zonnewind. Dus de atmosfeer van na het bombardement kan redelijk dik zijn gebleven – of in ieder geval dikker dan nu – zolang het magnetisch veld bleef bestaan.

Maar was er genoeg om het water te verklaren? Dat is moeilijk te zeggen. Niemand weet hoe snel het sputteren vandaag de dag gaat, of hoe sterk de zonnewind was in het vroege zonnestelsel. Terwijl de meeste schattingen het verlies door sputteren op ongeveer een tiende van een staaf hebben geschat gedurende het leven van de planeet, denkt Jakosky – die een aantal van die voorspellingen heeft gedaan – dat het tien keer zoveel had kunnen zijn.

Dat zou nog steeds niet de druk van tussen de 5 en 10 staaf opleveren die onderzoekers oorspronkelijk dachten nodig te hebben om een aanhoudende, relatief natte periode in het begin van het zonnestelsel te verklaren. Maar misschien hebben ze de behoefte van de planeet overschat. De modellen die vele maten CO2 nodig hadden om de aanwezigheid van vloeibaar water te verklaren, hielden geen rekening met de vorming van wolken. Het blijkt dat wolken van vaste CO2 Mars in principe aardig zouden kunnen opwarmen, zelfs met een atmosferische druk van slechts een halve bar.

In november 1997 berekenden Francois Forget van de Pierre en Marie Curie-universiteit in Parijs en Raymond Pierrehumbert van de universiteit van Chicago dat grote droog-ijskristallen in zo’n atmosfeer heel goed thermische straling naar de grond zouden kunnen terugstrooien, terwijl ze binnenkomend zichtbaar en ultraviolet licht doorlaten (Science, vol 273, p 1273). Een dunne maar bewolkte atmosfeer zou Mars tijdens de vroegste fasen van zijn geschiedenis hebben kunnen opwarmen en vervolgens zijn weggesputterd toen de afkoelende kern het magnetisch veld uitschakelde. Toen de atmosfeer dunde, zou de bodem het grootste deel van de relatief kleine hoeveelheid CO2 hebben kunnen absorberen, en de productie van carbonaten zou minimaal zijn geweest.

Het probleem is dat het feit dat afkoelende wolken in een model kunnen worden aangetroffen, nog niet betekent dat ze er in het echt ook ooit zijn geweest. En Kasting wijst erop dat sommige wolkensoorten het oppervlak hebben opgewarmd, terwijl andere het juist hebben afgekoeld – net zoals verschillende wolken de temperatuur op aarde op verschillende manieren beïnvloeden.

Dan is er nog de mogelijkheid dat het in eerste instantie nooit zo warm is geweest. Water kan op sommige behoorlijk koude plaatsen toch vloeibaar zijn, althans voor korte tijd, en sommigen denken dat een groot deel van de watermerken op het oppervlak van Mars gevormd kan zijn in een paar korte, natte catastrofes. Zoals Zahnle het zegt: “Ik heb bewijzen gezien van vloeibare silicaat lavas op het oppervlak van de Aarde: moet ik daaruit concluderen dat de temperatuur op aarde 1500 K bedroeg? Het enige wat ik redelijkerwijs kan concluderen is dat de vloeistof er was, en dat de vloeistof heet was.” De riviervalleien kunnen zijn gevormd door de inwerking van grondwater dat door plaatselijk vulkanisme of inslagen is opgewarmd. Of ze kunnen gevormd zijn onder voorbijgaande ijskappen die later wegsublimeerden.

Misschien kwam de warmte in zeer korte spurten. Dat zou verklaren waarom, ondanks de aanwezigheid van valleien, er weinig bewijs is van aanhoudende erosie in veel van de oude kraters, en sommige van hen een bijna maan-achtige scherpte behouden.

Victor Baker van de Universiteit van Tucson in Arizona gelooft dat Mars soms inderdaad erg nat is geweest, dankzij gassen uit het binnenste van de planeet die warm water uit de diepte van de korst naar buiten dreven naar het oppervlak. Maar deze overstromingen zouden slechts zo’n tienduizend jaar hebben geduurd. Zelfs een dozijn van dergelijke natte perioden zou slechts een fractie van de Martiaanse geschiedenis omvatten, en de zuidelijke hooglanden onaangetast laten door erosie.

Het hoeft niet echt te verbazen dat je met een paar ruimtemissies niet een hele planeet kunt begrijpen. Maar de complexiteit en schijnbare tegenstrijdigheden van het verleden van Mars dwingen ons deze les te leren. De geschiedenis van Mars is wellicht complexer dan het “warm-en-nat-dan, koud-en-droog-nu”-model toeliet. De eerste miljarden jaren van Mars kunnen allerlei raadsels hebben opgeleverd, en om die op te lossen zullen onderzoekers theorieën voorstellen die zich, net als de ideeën van Jakosky, uitstrekken van het gesmolten hart van de planeet tot aan de rand van de ruimte. De ijle Martiaanse atmosfeer mag dan een slechte deken voor de planeet zijn, maar als springplank voor speculaties is hij ongeëvenaard.n

Oliver Morton is wetenschapschrijver en woont en werkt in Londen

New Scientist uitgave: 20 november 99