Marsin mysteerit: kahtiajako ja kadonnut vesi
2000-luvun alkuvuosina Jouko Raitalan johtamalla Oulun yliopiston planetologian tutkimusryhmällä piti kiirettä. Etenkin vanhemmat kollegat ravasivat vähän väliä Berliinissä suunnittelemassa kuvauskohteita Euroopan avaruusjärjestö ESAn Mars Express -luotaimen saksalaisvalmisteiselle korkean erotuskyvyn stereokameralle eli HRSC:lle.
Kerran noihin aikoihin etelän mediakin poikkeuksellisesti kunnioitti ryhmäämme läsnäolollaan. Toimittaja kysyi meiltä kaikilta jotain sen suuntaista, kuin että mikä on kaikkein kiinnostavin tuntematon asia Marsista. Tarkoitus oli tietenkin saada sitaattikelpoisia kommentteja vedestä ja ties vaikka marsilaisesta elämästä. Toki fiksummilta kollegoiltani erittäin asiallisia ja silti myyviä lausuntoja tulikin. Porukan tylsimpänä ja geologeimpana minä tietysti aloin höpöttää jotain kuivakkaa siitä, miksi koko punainen planeetta on niin kovin merkillisesti kahtiajakautunut vanhaan kraatteroituneeseen etelän ylänköön ja pohjoiseen alankoon. Toimittajan katse lasittui hyvin äkkiä, eikä tästä dikotomiana tunnetusta kesto-ongelmasta muistaaksi lukenut jutussa halaistua sanaa. Sinne meni oma varttini valokeilassa.
Tämä takavuosien tapahtuma muistui mieleeni, kun luin aina mainion Eos-lehden tammikuun numerosta Matthew R. Francisin lyhkäisen jutun Five Head-Scratching Martian Mysteries, siis Viisi päätäraavituttavaa Marsin mysteeriä. Kuinka ollakaan, vanha tuttu kysymys Marsin eteläisen ja pohjoisen pallonpuoliskon perustavanlaatuisesta erilaisuudesta komeili listan kärjessä.
Etelän ylängöt vs. pohjoisen alangot
1960-luvulla ensimmäiset kolme Marsin ohilentoja tehneet Mariner-luotaimet sattuivat kuvaamaan ainoastaan Marsin eteläistä ylänköä. Hätäisimmät ehtivät tuolloin todeta marsilaiset kuolleiksi ja Marsin tylsäksi kraattereiden peittämäksi planeetaksi. Vasta 1970-luvun alussa Marsia kiertämään jäänyt Mariner 9 löysi jättimäiset tulivuoret, valtaisat kanjonit ja todennäköisimmin virranneen veden kaivertamat uomat. Samalla kävi selväksi, että Marsin eteläinen ja pohjoinen pallonpuolisko ovat täysin erilaisia. Pohjoinen puolisko (tai, määritelmästä riippuen, ehkä ennemminkin kolmannes) on viitisen kilometriä eteläistä alempana sijaitsevaa enimmäkseen piirteetöntä tasankoa, jolla ei juuri törmäyskraattereita näy, tulivuorista tai virtausuomista puhumattakaan.
1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa vallitseva selitys dikotomialle oli, että se oli seurausta varhaisesta epäsymmetrisestä magmaattisesta toiminnasta. Tämä johti pohjoisen pallonpuoliskon kuoren ohenemiseen altapäin. Myöhemmät sisäsyntyiset mallit ovat korostaneet sitä, että samalla kun pohjoinen kuori oheni, eteläinen paksuni.
Vuonna 1984 etenkin Kuun kartoittajana tunnettu Don Wilhelms ehdotti yhdessä myöhemmin Mars-mönkijöiden myötä maailmanmaineeseen nousseen Steve Squyresin kanssa, että pohjoiset alangot voisivat hyvin olla vain jättimäinen törmäysallas, hieman Kuun South Pole – Aitkenin altaan tapaan. Tämä Borealiksen altaana tunnettu idea vaikutti selittävän lukuisia havaintoja ja oli yksinkertaisuudessaan houkutteleva.
Borealiksen altaan läpimitaksi Wilhelms ja Squyres arvioivat noin 7700 km. Sen olisi heidän mukaansa voinut synnyttää vähintään noin 600 km:n läpimittainen asteroidi. Varhaisen aurinkokunnan oletetun asteroidipopulaation valossa tämä tuntui aivan uskottavalta.
Kaikkia yksi jättimäinen allas ei kuitenkaan miellyttänyt. Muutamaa vuotta Wilhelmsin ja Squyresin jälkeen Herbert Frey ja Richard Schultz ehdottivatkin pohjoisten alankojen olevan seurausta useista suurista, joskaan ei jättimäisistä törmäyksistä. Erityisen laajaa kannatusta Freyn ja Schultzin ajatus ei tosin koskaan ole nauttinut.
1990-luvun lopussa alkanut Mars-kuume aiheutti vakavampia ongelmia yhden jättiläistörmäyksen synnyttämälle Borealiksen altaalle. Marsin painovoimakenttää ja siitä johdettua kuoren paksuutta tutkineet geofyysikot Maria Zuberin johdolla nimittäin totesivat, ettei havaittu painovoimapoikkeama vastaa jättimäisen törmäysaltaan oletettua poikkeamaa. Altaan kohonneesta reunastakin olisi heidän mukaansa pitänyt olla vielä jäljellä jotain. Geofysiikka torppasi myös 1990-luvun puolivälissä ehdotetun maapallon kaltaiseen laattatektoniikkaan perustuneen mallin dikotomian synnylle.
Vuosikymmenen loppupuolella tarkempi analyysi Jeffrey Andrews-Hannan johdolla käänsi kuitenkin Zuberin pään. Andrews-Hanna, Zuber ja Bruce Banerdt päätyivätkin pääpiirteissään hyväksymään Wilhelmsin ja Squyresin idean, tosin sillä muutoksella, että törmäyksessä syntynyt Borealiksen allas ei ollutkaan suunnilleen pyöreä, vaan elliptinen. Samalla sen kokokin kasvoi: Andrews-Hannan vetämän ryhmän ehdottaman Borealiksen altaan läpimitta on noin 10600 × 8500 km. Tämä ajatus sai vahvaa tukea samaisessa Nature-lehden numerossa julkaistuista Margarita Marinovan johdolla tehdyistä törmäyssimulaatioista.
2000-luvun lopulla alkoi kuitenkin ilmestyä myös täysin toisenlaisia törmäysmalleja. Niissä jättitörmäys ei tapahtunutkaan Marsin pohjoiselle pallonpuoliskolle, vaan syvälle etelään, kenties jonnekin etelänavan tienoille. Ajatus törmäyksestä alueelle, joka nykyisin sijaitsee korkeammalla kuin muu planeetta, tuntuu tietysti aluksi järjenvastaiselta. Näiden mallien alkuperäinen ajatus kuitenkin oli, että törmäys olisi johtanut eteläisen kuoren paksuuntumiseen samaan tapaan kuin puhtaasti magmaattisissa malleissa on ajateltu. Alkuperäisestä törmäysaltaasta ei näiden mallien mukaan ole mitään jäljellä.
Viimeisin näkemäni kattavampi tutkimus eteläisen jättitörmäyksen synnyttämästä dikotomiasta julkaistiin reilu vuosi sitten Icarus-lehdessä. Harry Ballantynen johdolla tehdyissä simulaatioissa on kuitenkin erilainen perusajatus kuin aiemmissa malleissa. Ballantynen vetämässä sveitsiläistutkimuksessa törmäyksen ei tarvitse synnyttää massiivista Marsin sisäistä magmaattista toimintaa. Sen sijaan eteläiset ylängöt edustavat valtaisaa törmäyssulamerta, joka sitten hissukseen kiteytyi ja muodosti eteläisten ylänköjen paksun kuoren. Paras vastaavuus havaintoihin saatiin, kun törmänneen asteroidin läpimitta oli 1000–1500 km ja törmäys tapahtui hitaasti (noin 6–7 km/s) loivalla kulmalla.
Tällaiset puolen planeetan kokoiset törmäystapahtumat ovat kuitenkin äärimmäisen vaikeita mallinnettavia. Millään lailla varmana Ballantynen ryhmän tuloksia ei siis voida pitää, ja toiset ryhmät saavat omista simulaatioistaan aivan päinvastaisia tuloksia. Esimerkiksi kuutisen vuotta sitten esiteltiin hybridimalli, jonka mukaan törmäys tapahtui pohjoiselle pallonpuoliskolle, jonne syntyi suunnilleen ”perinteinen” Borealiksen törmäysallas, mikä edelleen johti massiiviseen magmaattiseen toimintaan ja kuoren paksuuntumiseen eteläisellä pallonpuoliskolla.
Kuten Eos-lehden jutussakin todetaan, lopputulema on, ettei vuosikymmenien tutkimuksesta huolimatta kenelläkään ole edelleenkään edes suunnilleen varmaa tietoa siitä, kuinka Marsin silmiinpistävin ja vanhin pinnanmuoto, eli pallonpuoliskojen kahtiajakautuminen oikeastaan syntyi. Puhtaasti sisäsyntyiset mallit, samoin kuin pohjoiseen tai etelään tapahtuneet jättitörmäykset tai näiden jonkinlaiset yhdistelmät ovat kaikki edelleen mahdollisia vaihtoehtoja. Jos Marsiin saataisiin joskus kattava seismometriverkosto, saattaisi olla mahdollista ainakin sulkea joitakin malleja pois. Hyvistä ideoista huolimatta sellainen ei kuitenkaan ole toteutumassa ainakaan lähitulevaisuudessa.
Minne vesi katosi?
Marsin dikotomia on kytköksissä myös toisena Eosin artikkelissa esiin nostettuun mysteeriin, eli veden kohtaloon. Kuten tässäkin blogissa olen moneen kertaan todennut, Marsin muinaisesta vedestä on saatu runsaasti todisteita jo 1970-luvun alusta alkaen (eikä suinkaan vasta 1990-luvun lopulta, kuten Eosin jutussa annetaan ymmärtää). Marsista löytyy niin haaroittuvia jokiuomia kuin valtavien, äkillisten tuhotulvien kaivertamia uomiakin. Nämä tulvauomat päätyvät useimmiten dikotomiavyöhykkeellä pohjoisille alangoille. Vähäisemmät joet virtasivat puolestaan kraatterijärviin synnyttäen deltoja, jollaista Perseverance-mönkijä on Jezero-kraatterissa tutkimassa, kuten puolisentoista vuotta sitten kirjoittelin. Jäätikköjokitoiminnasta taas kertovat harjut.
Merkittävin kytkös dikotomian ja ja veden välillä on hypoteettinen pohjoinen valtameri. Etenkin Tim Parkerin 1980- ja 90-lukujen taitteen väitöskirjatutkimusten myötä valtameren ajateltiin aikoinaan peittäneen koko pohjoiset alangot. Dikotomiavyöhykkeen ympäristöstä kartoitettiin useampiakin eri aikoina syntyneiksi oletettuja rantaviivoja. Meren olemuksesta tai edes sen olemassaolosta ei kuitenkaan ole vuosikymmenten pähkäilyn jälkeen päästy yhteisymmärrykseen. Kirjoitin aiheesta oman blogijuttunsa kaksi vuotta sitten, joten siihen ei nyt sen tarkemmin ole enää tarvetta palata, vallankaan kun mitään merkittäviä läpimurtoja aiheen tiimoilta ei sen jälkeen ole tietääkseni tapahtunut.
Oli Marsin pohjoisesta valtamerestä mitä mieltä tahansa, valtaosa Mars-tutkijoista on yhtä mieltä siitä, että aikoinaan Marsissa on täytynyt olla huomattavasti enemmän vettä kuin nykyisin. Mikäli Parkerin kartoittamat, nykyisin kiistanalaiset valtameren rantaviivat suunnilleenkaan pitävät paikkansa, on Marsin pohjoisessa valtameressä ollut vettä määrä, joka vastaisi kenties 130–700 m:n paksuista planeetanlaajuista vesikerrosta. Eteläisellä pallonpuoliskolla on lisäksi kenties ollut omat sisämerensä Hellaksen ja Argyren valtavissa törmäysaltaissa. Eräät nykytutkijat esittävät, että Marsissa on aikoinaan ollut puolentoista kilometrinkin globaalia vesikerrosta vastaava määrä vettä. Keskeinen ongelma on, mihin kaikki tuo merien vesi on sittemmin kadonnut.
Mars on maapalloa merkittävästi pienempi planeetta. Siksi sen heikompi vetovoima ei kykene pitämään vikkelästi liikkuvia vesimolekyylejä tai etenkään veden hajotessa syntyvää vetyä otteessaan yhtä tehokkaasti kuin Maan vetovoima. Marsin kaasukehä on myös hyvin ohut – Marsin pintapaine on vain reilu kahdessadasosa Maan pintapaineesta – eikä Marsilla ole kunnon magneettikenttää. Siksi aurinkotuuli repii lähes estoitta Marsin kaasukehästä vettä (eli vetyä – kemistit voivat tosin nyrpistää nenäänsä sille, että geologeille vety tai jopa pelkät protonit eli H+-ionit ovat ”vettä”) mukanaan. Vesi, tai ainakin osa siitä, on siis voinut tyystin kadota Marsista ja häipyä planeettainväliseen avaruuteen.
Lohdullisempiakin vaihtoehtoja on. Vaikkei Mars kraatteritiheydeltään ylläkään Kalliston, Kuun tai Merkuriukseen kaltaiseen lähes kaiken kattavaan möyhennykseen, on se silti rajusti kraatteroitunut planeetta. Siksi Marsin kuori on hyvin voimakkaasti rakoillut jopa useiden kilometrien syvyyteen saakka. Suuressa mittakaavassa murskautuneen kallioperän eli megaregoliitin rakoihin on näin ollen voinut sitoutua suuret määrät vettä. Toisin kuin avaruuden tyhjyyteen pyyhkäisty vesi, megaregoliitin rakojen ja huokosten vesi on edelleen geologisesti käyttökelpoista odottaen vain lämpimämpää ilmastojaksoa tai aktiivista tulivuoritoimintaa vapautuakseen.
Ensi syksynä kymmenvuotista uraansa Marsin kiertoradalla juhlivan NASAn MAVEN-luotaimen (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) yksi päätehtävistä on ollut pyrkiä selvittämään Marsin veden kohtalo. Marsin kaasukehän nykyisen häviämistahdin, 1–2 kg kaasua sekunnissa, tutkijat saivatkin MAVENin mittauksista selvitettyä. MAVENei kuitenkaan ole onnistunut ratkaisemaan kaikkia ongelmia, sillä havaittu tahti ei riitä hävittämään likikään koko sitä vesimäärää, jonka geologit ovat päätelleet Marsissa aikoinaan olleen.
Merkittävää lisävalaistusta Marsin veden kohtaloon saatiin kolmisen vuotta sitten Eva Schellerin väitöskirjatyössä.Schellerin ja kollegojen mallinnusten mukaan havainnot nykyisestä Marsista ja arviot muinaisen Marsin vesimäärästä ovat yhteensopivia, kun huomioidaan Maasta hyvin tuttu ilmiö: kemiallinen rapautuminen.Marsin kuoren kivilajien mineraalit ovat heidän mukaansa laajalti muuttuneet erilaisiksi vesipitoisiksi savimineraaleiksi. Kemiallinen rapautuminen olisi Schellerin Science-lehdessä julkaistun artikkelin mukaan voinut hävittää kolmanneksen tai jopa 99 % Marsin alkuperäisestä vedestä. Marsin vesi on siis heidän mukaansa päätynyt osaksi kiviä. Suunnilleen nykyisen vesimääränsä Mars saavutti Schellerin mukaan jo kolme miljardia vuotta sitten.
Toisin kuin Marsissa, maapallolla kemiallinen rapautuminen ei ole käyttökelpoisessa muodossa olevan veden riittävyyden kannalta minkäänlainen ongelma. Meillä savimineraalit ja muu vesipitoinen kiviaines ovat nimittäin osa aineen suurta kiertokulkua. Vettä sitoutuu täälläkin jatkuvasti kiviainekseen, mutta laattatektoniset voimat kierrättävät sitä. Subduktio- eli alityöntövyöhykkeillä vesipitoinen aines työntyy syvälle maankuoreen. Se kuitenkin palautuu sieltä takaisin kiertoon, kun tulivuoret puhkuvat sen vesihöyrynä ulos. Marsissa ei laattatektoniikkaa ole ollut ainakaan muutamaan miljardiin vuoteen eikä merkittävissä määrin luultavasti koskaan, joten kiviainekseen kemiallisesti sitoutunut vesi on poissa pelistä aivan yhtä tehokkaasti kuin avaruuteen kaikonnut vesikin.
Vaikka veden sitoutuminen rapautuneisiin mineraaleihin vaikuttaakin lupaavalta tavalta päästä eroon Marsin vedestä, ei asia suinkaan ole vielä taputeltu. Yksi osa ongelmaa on alkuperäisen veden määräarvioiden hurja vaihtelu. Kuten Eosin jutussakin todetaan, kaikki Marsia tutkivat geologit eivät ole alkuunkaan vakuuttuneita, että Marsissa on ollut pohjoista valtamerta tai pienempiä lyhytkestoisia merivaiheita. Ongelma heidän mukaansa on, etteivät ”rantaviivat” näytä rantaviivoilta, tai ”merenpohjan sedimenttikerrostumat” merenpohjan sedimenttikerrostumilta. Kuten monessa muussakin asiassa planeettageologiassa, myös Marsin muinaisten merten tutkimuksessa kannattaa tosin ehkä huomioida sekin, että kovimmat kriitikot ovat usein niitä, jotka eivät itse varsinaisesti ole edes tutkineet koko asiaa.
Eosin artikkelissa esitellyt Marsin mysteerit ovat tietysti vain juttuun haastatelluiksi päätyneiden muutamien tutkijoiden esiin nostamia ongelmia. Varsin erilaisiakin listauksia voisi tehdä. Dikotomian synty ja veden kohtalo ovat kuitenkin erinomaisia esimerkkejä perustavanlaatuisista tutkimusaiheista, joita ei vuosikymmenten pähkäilyn jälkeenkään ole onnistuttu ammentamaan tyhjiin. Molemmista nähdään varmasti jatkossakin hyvin erilaisiin tulkintoihin ja johtopäätöksiin päätyviä tutkimuksia. Vaikka hidas kehitys voikin välillä tuntua turhauttavalta, ovat nämä erot ja ristiriitaisuudet merkittävä osa Marsin tutkimisen viehätystä.
Muokkaus 3.5.2024: Pari ylimääräistä toistoa poistettu.
Tuli kirjoitettua kahtiajaosta ja vedestä paperi vuonna 2002, ”Are the northern plains of Mars a frozen ocean?”, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2000JE001478 . Siinä pohdittiin vaihtoehtoa että pohjoisen alangon pintamaan alla olisi jään täyttämä allas. Yrityksenä oli siis selittää kahtiajako ja ”kadonnut” vesi samalla kertaa.
Kiitos vinkistä & linkistä, tuo oli mielenkiintoinen hypoteesi! Heitänpä tähän hypoteesin testin / vasta-argumentin: Mikäli alangoilla olisi koko ajan ollut suht stabiili jääkerros, pitäisi kraattereiden morfologiassa näkyä systemaattisia eroja siinä kohti, kun mennään pintamoskasta läpi jäähän ja toisaalta jäästä sitten läpi alla olevaan kallioon. En muista nähneeni tällaista. Kiistaton ongelma tosin on, että kraattereita on kovin vähän, joten kattavaa otosta lienee hankala saada.