Mars to czwarta, licząc od Słońca, planeta naszego układu słonecznego. Dzieli nas od niej średnio 225 mln km. Trochę daleko, ale… Pierwsze udane lądowanie na Marsie miało miejsce w 1976 roku. Od tamtej pory pojazdy bezzałogowe wielokrotnie odwiedzały tę planetę i pobierały próbki. O czerwonym globie wiemy coraz więcej, także za sprawą polskich naukowców. Kilka lat temu w Instytucie Lotnictwa powstało Centrum Technologii Kosmicznych, utworzone z myślą o prowadzeniu badań w zakresie napędów lotniczych, technologii kosmicznych, badań materiałów pędnych oraz pozyskiwania i przetwarzania danych dostarczanych przez satelity. Tworzą je: Pracownia Technologii Kosmicznych, Pracownia Napędów Lotniczych, Laboratorium Materiałów Pędnych oraz Zakład Teledetekcji. To w nim zakończył się pierwszy etap – badania będą kontynuowane – projektu „Budowa geologiczna najstarszych marsjańskich kraterów z okresu Late Heavy Bombardment na podstawie danych spektrofotometrycznych z sond Mars Express i Mars Reconnaissance Orbiter oraz analiza porównawcza z najstarszymi ziemskimi kraterami impaktowymi na podstawie zdjęć satelitarnych”.

Ziemskie analogie

– W gruncie rzeczy, czy obserwujemy Ziemię, czy Marsa, to z punktu widzenia zjawisk geologicznych niemal to samo – mówi dr Krzysztof Skocki, geolog planetarny. Podstawowa różnica polega na tym, że na Ziemi można z dowolnego miejsca pobrać próbki, powąchać, wziąć „na język”, w przypadku Marsa możliwości są ograniczone. Można bazować na analizach próbek pobieranych przez łaziki marsjańskie, które jednak operują na małych obszarach i nie zawsze tam, gdzie chciałoby się zajrzeć. Głównym źródłem danych jest więc teledetekcja i spektrometria.

– Ponieważ jesteśmy geologami, zajmujemy się badaniem powierzchni na podstawie widm w podczerwieni i charakterystyk spektralnych, dzięki którym możemy określić, jaki jest skład mineralny określonego obszaru, czyli skład skał i lodu. Te dane porównywane są z bibliotekami widm minerałów ziemskich – wyjaśnia dr Natalia Zalewska, kierownik projektu.

Czy ziemskie odniesienia są trafne, pomijając fakt, że innych nie mamy? Na Marsie panują inne warunki, temperatury na ogół znacznie poniżej zera, ciśnienie w granicach 6 hPa, brak atmosfery zbliżonej do ziemskiej, dużo mniejsza grawitacja. – W XIX wieku geolog Charles Lyell sformułował teorię aktualizmu geologicznego, z której wynika, że procesy, które istniały w przeszłości, istnieją i dzisiaj – mówi dr Skocki.

Zatem geolodzy planetarni wychodzą z założenia, że zjawiska, które występują na Ziemi w podobnej formie, mają lub miały miejsce także na innych ciałach niebieskich typu ziemskiego. Ponadto proces kształtowania się planet naszego układu słonecznego był podobny. Na obydwie planety oddziaływało wielkie bombardowanie meteorytowe, a projekt dotyczy właśnie kraterów impaktowych. Tu zaczynają się pierwsze problemy. Najstarszym znanym na Ziemi takim kraterem jest Vredeford, znajdujący się w RPA. Powstał ok. 2 mld lat temu. Czy to znaczy, że innych nie było? Raczej nie jesteśmy ich w stanie odnaleźć.

– Na Ziemi są płyty tektoniczne, których nie ma na Marsie, są ruchy sejsmiczne, które mogły zniszczyć dawne kratery, a tektoniki na Marsie nie znamy. Dawno temu były tam wprawdzie wulkany, ale… Na Ziemi działalność wód, cała biosfera przyczyniły się do znacznej erozji powierzchni, a na Marsie te zjawiska nie występowały prawdopodobnie od miliarda lat lub dłużej – mówi dr Zalewska.

Czy to oznacza, że na Marsie nic się nie dzieje i możemy zajrzeć jak do Pompejów – warunków planety jakby zamkniętych w kapsule czasu?

Nie do końca tak, jak się wydaje

– O ile podział historii geologicznej Ziemi jest bardzo szczegółowy - możemy w niektórych formacjach geologicznych niemal wetknąć szpilkę i powiedzieć: tu zaczyna się np. kambr – mówimy o okresach geologicznych stosunkowo krótkich, rzędu kilkuset tysięcy do kilkuset milionów lat, o tyle w przypadku Marsa są tylko trzy epoki: Noachian, Hesperian i ostatni Amazonian, trwający ok. 2 mld lat. Ten obowiązujący podział zakłada w gruncie rzeczy, że na tej planecie niewiele się dzieje. Wynika to z faktu, że mamy bardzo ograniczone możliwości datowania zachodzących tam zjawisk. Dokonujemy tego np. na podstawie liczenia kraterów na powierzchni. Przyjmujemy, że im ich więcej, tym powierzchnia jest starsza, ale to nie jest wystarczająco ścisłe. Porównując dane ze zdjęć, obserwuję wiele procesów, które cały czas modelują powierzchnię. Ten marsjański krajobraz nie wygląda na „porzucony” 2 mld lat temu – mówi dr Skocki. – Tam cały czas coś się dzieje, powstają osuwiska, tworzą się wydmy, to efekty erozji kształtującej powierzchnię i krajobraz Marsa. Kiedy dwa łaziki, Spirit i Opportunity, przejeżdżały przez piaszczystą wydmę, widać na zdjęciach, które one robiły, że ich ślady są nieco zawiane. Wiatr, jaki jest na Marsie, przyczynia się do erozji i zmian, choć nie tak wyraźnych, jak na Ziemi.

Projekt realizowany w CTK miał się także odnieść do hipotezy, że woda do naszego układu słonecznego została dostarczona w okresie wielkiego bombardowania z peryferii Układu Słonecznego.

– W okresie kształtowania się planet, przy dysku planetarnym była zbyt wysoka temperatura, żeby mogła występować woda, a więc musiała ona zostać dostarczana już po procesie konsolidacji planet. To hipoteza – wyjaśnia dr Zalewska – ale chciałam w badaniach nieco wniknąć w ten problem, abstrahując od tego, czy była ona wcześniej, czy nie, jest grupa naukowców, którzy uważają, że pojawiła się 4 mld lat temu, a potem Mars stopniowo wysychał i nie było jej w stanie ciekłym. Chciałam się zorientować, czy to możliwe, aby woda pojawiała się na Marsie znacznie później niż zakładane 2 mld lat. Analiza zdjęć pokazujących formy terenu skłania do przypuszczeń, że woda na Marsie mogła czy może się pojawiać, aczkolwiek datowanie takich zjawisk jest znacznie utrudnione – mówi dr Zalewska.

Skoro badania opierają się na analogiach ziemskich zjawisk, a u nas występują okresy ocieplenia i zlodowacenia, to podobne powinny być na Marsie. Analiza zdjęć wyraźnie wskazuje na działalność lodowcową.

– Obserwujemy procesy glacjacji sezonowej, bo czapy lodowe na obu biegunach dynamicznie się zmieniają. To duże zmiany. Czapy lodowe się zmniejszają, zwiększają – wyjaśnia dr Skocki. – To wcale jednak nie musi oznaczać pojawienia się wody. Na Marsie są dwa rodzaje lodu: jeden to zamarznięta woda, drugi to tzw. suchy lód, czyli zamarznięty dwutlenek węgla. Woda nie musi się pojawiać przy podwyższonej temperaturze, ponieważ w skali globalnej nie ma na tej planecie warunków, aby lód przeszedł w formę płynną. Z uwagi na ciśnienie i gęstość atmosfery mamy do czynienia ze zjawiskiem sublimacji – lód przechodzi od razu w formę gazową.

Marsjańskie kałuże

– Sądzę, na podstawie analizy zdjęć, że w czasie lata marsjańskiego, kiedy Mars jest bliżej Słońca, nie do końca jest tylko sublimacja i resublimacja, cieki wodne się pojawiają. Moim zdaniem na Marsie są epizody, kiedy woda rozmarza i zamarza. Są też takie miejsca, gdzie może się pojawiać cyklicznie. Zajęliśmy się badaniem kraterów marsjańskich na południowej półkuli, jednym z nich, największym, jest basen Hellas, o średnicy ok. 3 tys. km. To rodzaj głębokiej misy powstałej w wyniku uderzenia meteoroidu. Ma głębokość ok. 7 km w stosunku do punktu zerowego, a zatem na jego dnie ciśnienie jest wyższe i tam może się pojawiać woda. Zwłaszcza że kiedy planeta jest bliżej Słońca, na jej południowej półkuli temperatura wzrasta i może dochodzić nawet do 30º C – mówi dr Zalewska.

Morze w kraterze? Obecnie raczej kałuże – realistycznie stwierdza dr Skocki.

– To przepływy katastroficzne, powstałe na skutek gwałtownego topnienia, w krótkich okresach rzędu setek tysięcy lat – wyjaśnia dr Zalewska. Ale analiza zdjęć powierzchni Marsa pokazuje, że mogły tam być także rzeki wpływające do większych zbiorników – mórz. Co się potem działo z wodą? Mogła wsiąkać, zamarzać, przechodzić w stan gazowy. Tego nie wiadomo. Wróćmy do kałuż na dnie basenu Hellas, łaziki tam nie dotrą, może z pomocą przyjdzie spektrometria?

– Kiedy ciśnienie jest wyższe, to i wpływ atmosfery jest silniejszy niż na poziomie zero czy powyżej. Na dnie tego basenu jest więc duże zapylenie, a zatem widma są „brudne” i trudne do interpretacji. Oczywiście mamy metody separacji widm, ale najczęściej stosowany algorytm opracowany w warunkach ziemskich niewiele pomaga, trzeba by opracować nowy. Badaliśmy także dwa inne kratery na północnej półkuli, które wchodzą w obszary podbiegunowe i tam obserwowane są struktury kriogeniczne z rozmarzania i zamarzania lodu – wyjaśnia dr Skocki.

Czy zatem woda na Marsie została przyniesiona, czy nie?

– Nie udało mi się tego z całą pewnością ustalić, ale na podstawie nie tylko moich badań, lecz także publikacji i rozmów z innymi naukowcami, uważam, że komety były dodatkowym źródłem wody i nie jest prawdą, że planety były bezwodne. Zawarta w skałach woda mogła zostać „wyciśnięta” zarówno z płaszcza ziemskiego jak i marsjańskiego – mówi dr Zalewska. A dr Skocki dodaje: - Podczas procesu formowania się planet, kiedy magma powoli stygnie, zawsze uwalnia się woda związana w minerałach.

Mrzonka czy perspektywy na przyszłość?

Te badania w gruncie rzeczy dotyczą historii wody we Wszechświecie. Dla nas, Ziemian, woda jest kluczowa do życia. Gdybyśmy zatem chcieli założyć stację badawczą na Marsie, to przynajmniej jej nie musielibyśmy wozić. Projekt zatem będzie kontynuowany pod kątem procesów kriogenicznych na Marsie.

Dzisiaj, przy obecnej technologii, wyprawa ludzi na Marsa wydaje się jeszcze odległa, ale… Ziemianie na Marsie to zapewne kwestia lat. Do odważnych świat należy, w przypadku tych badań ma to znaczenie podwójne. Są one bowiem finansowane ze środków własnych instytutu, a jasne jest, że nie zostaną skomercjalizowane. Instytut Lotnictwa, jeden z najstarszych i największych w Polsce, prowadzi tak szeroką działalność, że może samodzielnie rozwijać badania teledetekcyjne nie tylko powierzchni Ziemi, lecz także planet. 