Water?
Of er water op Mars is (en was), is de vraag niet. Er zijn mineralen op Mars gevonden die uit water afkomstig zijn, en er is water ontdekt door satellieten. Radarbeelden wijzen uit dat de zuidpoolkap van Mars uit bijna puur ijs bestaat. Bovendien heeft één van de op Mars rondwandelende robots, de Phoenix, water aangetroffen in de poolcirkel, op een diepte van 5 cm. Nadat het water omhoog was gehaald verdampte het overigens binnen een dag.
Zwaartekracht
Eén van de argumenten waarmee de geulen tot nu toe aan stromend water werden toegescheven, is dat de hellingen niet steil genoeg zouden zijn om het marsgesteente omlaag te laten stromen zonder er een vorm van smeermiddel aan te pas te laten komen. Dat argument klopt echter niet, blijkt uit recent onderzoek van Maarten Kleinhans van de Universiteit Utrecht, en zijn collega´s van de Universiteit Utrecht, het Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics van de Universteit van Amsterdam, en de Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft. Doordat de zwaartekracht op Mars nog geen 40% van de zwaartekracht op aarde bedraagt, vormen marsverschuivingen flauwere hellingen dan aardverschuivingen, schreven de onderzoekers eind 2011 in het vakblad Journal of Geophysical Research. Om de geulen te verklaren is de aanname dat er water aanwezig is geweest dus niet noodzakelijk.
Paraboolvluchten
Kleinhans en zijn collega’s bestudeerden de natuurlijke hellingshoek (zie kader) van verschillende materialen in roterende cylinders. Bij welke hellingshoek begint het materiaal af te glijden, en bij welke hellingshoek houdt dit weer op? Om de invloed van de zwaartekracht op de natuurlijke hellingshoek te bepalen werd het onderzoek gedaan aan boord van een vliegtuig dat paraboolvluchten maakte. Hierbij wordt tijdens de vlucht de zwaartekracht die men in het vliegtuig ervaart tijdelijk (deels) opgeheven, door het vliegtuig in een bijna-vrije val te brengen. Door de neerwaarste versnelling van het vliegtuig tijdens deze duikvlucht goed af te stellen kon de zwaartekracht van Mars (0.38 keer die van de aarde) enige tijd worden nagebootst. Ook werd de natuurlijke hellingshoek van de materialen bepaald bij een zwaartektracht die tien keer zo klein was als die van de aarde, en tenslotte, ter vergelijking, de hellingshoek tijdens een rustige horizontale vlucht – dus met de zwaartekracht zoals we die op aarde kennen.
Anton via Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Natuurlijke hellingshoek
Iedereen die wel eens in een zandbak heeft gespeeld kent het verschijnsel: als de helling van een berg zand te steil worden stort deze in. Voor groffe en hoekige zandkorrels is de maximale helling van een zandbult (de natuurlijke hellingshoek genoemd) ongeveer 40 graden, bij mooie afgeronde korrels ligt het maximum al bij 20 graden. Als de helling te steil wordt glijdt de bovenste zandlaag als een lawine omlaag. De maximale hoek vlak voordat zo´n zandverschuiving plaatsvindt, heet de ¨statische¨ natuurlijke hellingshoek, de helling van de bult meteen ná deze zandlawine heet de ¨dynamische”natuurlijke hellingshoek. Het verschil tussen de statische en de dynamische natuurlijke hellingshoek is dus een maat voor de grootte van de lawine. Bij een verlaging van de zwaartekracht neemt de statische hellingshoek toe en de dynamische juist af, ontdekten Kleinhans en zijn collega´s – met als resultaat een grotere lawine.
Videobeelden
Het gedrag van het korrelige materiaal in de cylinders werd gedurende de vlucht vastgelegd met videobeelden. Op grond van deze beelden concludeerden de onderzoekers dat bij een zwaartekracht die 10 keer lager is dan op aarde de hellingshoek die kan ontstaan ongeveer 5 graden steiler is, maar dat de grondverschuiving die daarna optreedt wel groter is dan op aarde: de hellingshoek waarbij het schuiven ophoudt is juist 10 graden flauwer. De geringe zwaartekracht vermindert de interne wrijving in het materiaal, vermoeden de onderzoekers. Dit verklaart de relatief flauwe hellingen van de wanden op Mars waar het materiaal is afgestroomd, en kan tevens verklaren waarom de marsverschuivingen over een zeer grote afstand kunnen plaatsvinden.
Kooldioxide
Er zijn meer redenen om te betwisten dat Marsgeulen door stromend water zijn gevormd. Ook voor de geulen waarvoor wél een smeermiddel nodig geweest is kan je je immers afvragen waarom dat dan water zou moeten zijn? Eind 2010 schreven Serina Diniega van de Universiteit van Arizona en vier Amerikaanse mede-onderzoekers in het vakblad Geology dat het waarschijnlijker is dat deze geulen door kooldioxide veroorzaakt zijn dan door water. Kooldioxide zit in de atmosfeer rond Mars. Een deel ervan bevriest en slaat neer op de grond tijdens de winter, om in de lente weer als gas terug te keren in de atmosfeer. Diniega en haar mede-onderzoekers analyseerden veranderingen in beelden van het Marsoppervlak van 2004 tot 2010, en concludeerden dat nieuwe geulen altijd tijdens de winters op Mars ontstonden. In de lente gebeurde er niks. Diniega: “De geulen vormen zich tegenwoordig dus op het moment dat de temperatuur te laag is voor vloeibaar water, en de hoeveelheid kooldioxide-ijs juist op zijn hoogst is.” De Amerikaanse onderzoekers denken daarom dat dikke lagen CO2-ijs de marslawines getriggerd hebben.
En toch ..
De planetologen Ernst Hauber van het Institut für Planetenforschung in Berlijn en Dennis Reiss van de Universiteit van Münster bestuderen het ontstaan van landschapsvorming op Mars door vergelijkingen te maken met landschapsvormen op aarde. Hun eigen conclusies wijzen juist op een grote invloed van water. Hoewel ze het onderzoek van Kleinhans erg waardevol vinden hebben ze wel een paar kanttekeningen. “Je moet erg oppassen met de directe vertaalslag van resultaten van experimenten in het vliegtuig naar het oppervlak van Mars”, zegt Hauber. “De experimenten geven aan dat steenlawines op Mars groter zijn dan op aarde – als alle andere omstandigheden gelijk zijn. Maar alle andere omstandigheden zijn natuurlijk niet gelijk.”
“De aanwezigheid van geulen op flauwe hellingen is kennelijk geen aanwijzing voor water”, voegt Reiss er aan toe, “maar eigenlijk was dit toch al nooit zo´n sterk argument.” Reiss benadrukt dat er ook geulen op Mars zijn waarbij wél overtuigend bewijs is dat er water aan de formatie te pas is gekomen, zoals terras vorming, vlechtende rivieren, flauw hellende glijoevers en afkalvende stootoevers.
Kleinhans is het hier overigens gewoon mee eens. “Er zijn ook steile lawines en geulen op Mars waarbij water, CO2 of zouten wel smeermiddel waren, en er zijn vele geulen die door stromend water zijn gevormd.” Wat Kleinhans alleen laat zien is dat een deel van de geulen ook onder droge omstandigheden gevormd kan zijn: “Mijn onderzoek wijst met name uit dat er op Mars minder water nodig is dan op aarde, om vergelijkbare landschapsvormen te krijgen.”
Bronnen
- Kleinhans e.a. Static and dynamic angles of repose in loose granular materials under reduced gravity Journal of Geophysical Research (2011) E11004 doi:10.1029/2011JE003865
- Serina Diniega e.a. Seasonality of present-day Martian dune-gully activity Geology 38-11 (2010) 1047-1050
- Kleinhans A tale of two planets: geomorphology applied to Mars’ surface, fluvio-deltaic processes and landforms Earth Surf. Process. Landforms 35 (2010) 102–117
Zie ook:
- Zand zonder zwaartekracht (Kennislink-blog, over onderzoek tijdens paraboolvluchten)
- Stroomgeulen op Mars (Kennislinkartikel)
- ´Watergeulen´ op Mars veroorzaakt door droog zand of grind (Kennislinkartikel – via www.allesoversterrenkunde.nl)
- Pootjebaden op Mars (Kennislinkartikel – via www.allesoversterrenkunde.nl)