Att studera atmosfärer blir högprioriterat under kommande år

Trots en mycket omfattande utforskning av planeter, månar och andra himlakroppar i vårt solsystem och utforskning av exoplaneter kring andra stjärnor finns fortfarande stora kunskapsluckor som behöver fyllas igen. En av de största och viktigaste är det här med atmosfärer, hur de uppkommer och hur de ibland försvinner. NASA, och även andra rymdmyndigheter, satsar stort på atmosfärstudier under de närmaste åren. Atmosfärfrågan finns också högt på dagordningen hos den forskarkår som studerar exoplaneter. Vad är det då man ska studera? Inledningsvis ska jag försöka beskriva de rymdsonder som inom kort sänds upp för att studera olika himlakroppars atmosfärer. Därefter sammanfattar jag lite kort en intressant forskningsstudie om exoplaneters atmosfärer och hur de påverkar den beboeliga zonens utbredning.

Redan i höst sänder NASA upp två rymdsonder i syfte att studera atmosfären kring Mars (MAVEN) och kring månen (LADEE). Även Indien har meddelat att man sänder upp en rymdsond mot Mars i höst (Mangalyaan) för att studera planetens atmosfär. MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) ska studera Mars övre atmosfär och försöka svara på frågan: Vad har det inneburit för planetens klimat att atmosfären successivt har tunnats ut? Ett flertal rymdsondsobservationer under de senaste åren pekar på att Mars täckts av stora mängder vatten, men att vattnet nu har försvunnit från ytan. Mars har sannolikt haft en tätare atmosfär som av någon anledning försvunnit ut i rymden. Förutsättningarna för liv förändrades därmed radikalt. Vad var det egentligen som hände? En teori är att det är solvinden som förstört Marsatmosfären, vilket beskrivs i videon nedan.

(Källa: NASA)

Rymdsonden LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) har ett liknande uppdrag. Den sänds upp i höst för att studera månens mycket tunna atmosfär. Atmosfärens tunnaste skikt, exosfären, är så tunn att molekyler i princip inte kolliderar. På jorden skulle vi kalla det för vacuum. Flera andra himlakroppar, såsom Merkurius och några av Jupiters månar, har liknande tunna exosfärer och LADEE kan förhoppningsvis ge ökade kunskaper om varför atmosfären ser ut som den gör kring dessa himlakroppar.

Illustration av LADEE (Bildkälla: NASA)

Faktum är att kunskapsluckorna fortfarande är ganska stora även vad gäller jordens atmosfär och hur förändringar i atmosfären påverkar t.ex klimatet (se bl a denna artikel). NASA meddelade för några veckor sedan att man beslutat om två projekt som går ut på att studera jordens jonosfär och termosfär. Det är de atmosfärlager som ligger mellan ca 80 - 640 kilometer ovan jord (se NASA:s beskrivning av jordatmosfären och dess lager HÄR). Dessa projekt, liksom flertalet andra atmosfärprojekt, studerar samspelet mellan atmosfärer och "yttre rymden".

Om kunskapsluckorna är stora vad gäller atmosfärer kring himlakroppar i vårt solsystem, hur är de då inte kring exoplaneter? Faktum är att forskarna idag har mycket begränsad kunskap om hur olika exoplaneters atmosfärer kan tänkas se ut. Eftersom en atmosfärs omfattning och sammansättning har den allra största betydelse för förutsättningarna för liv på en planet är det förstås en allvarlig kunskapslucka som många forskare nu börjar försöka fylla igen. Astrobiology Magazine skriver om en intressant studie i ämnet, som visar att atmosfärforskning kommer att förändra våra definitioner av "beboelig zon" och olika himlakroppars beboelighet överhuvudtaget. Mer om studien lite längre ned i denna artikel.

Den s.k "beboeliga zonen" definieras som ett område kring en stjärna där temperaturen kan tänkas vara lagom hög för att hålla vatten flytande på en planets yta. Idag utgår man i huvudsak från stjärntemperatur och en planets avstånd från stjärnan för att konstruera en tänkt beboelig zon. Eventuella atmosfärer som skapar molntäcken m.m som kan påverka temperaturen tas inte med i beräkningen. Om man ser till vårt eget solsystem så inser man att förutom ovanstående faktorer har atmosfären och dess sammansättning en helt avgörande betydelse för en planets yttemperatur. Se bara på skillnaderna mellan Mars, jorden och Venus. Med en annan atmosfär skulle både Mars och Venus kunna ha en yttemperatur som innebär att vatten flyter omkring på planeternas yta.

Den beboeliga zonen kring olika typer av stjärnor (Bildkälla: NASA)

I en studie har forskare vid Trieste Astronomical Observatory studerat hur atmosfärtryck kan tänkas påverka temperaturen. Som alla vet som kokat ägg på hög höjd blir koktiden en annan än vid havsytan. Uppe på Mount Everest, där lufttrycket är lågt, kokar vatten redan vid 70 grader. Om man (i någon slags sinnesförvirring) skulle få för sig att koka ägg där uppe får man sannolikt hålla på i timmar för att få ett hårdkokt ägg. På samma sätt innebär ett lågt atmosfärtryck på en planet att vatten kokar vid lägre temperatur och därmed riskerar att dunsta bort. Om atmosfärtrycket ökar så ökar alltså den reella beboeliga zonen i storlek.

Ett högt atmosfärtryck innebär en tätare atmosfär. Tätare atmosfär transporterar värme bättre och bidrar därmed till att skapa en större växthuseffekt. En jordliknande planet som har en tätare atmosfär än jorden kan därför befinna sig på ett längre avstånd från sin (solliknande) stjärna och ändå ha lagom yttemperatur. Dessutom kan den distribuera värme bättre från ekvatorregionen till polerna, som därmed också kan ha flytande vatten. Ett resultat av denna värmedistribution är att planeter med högt tryck sannolikt skulle ha mindre variationer vad gäller livsformer än "lågtrycks-planeter". Dessa har större temperaturvariationer mellan ekvator och poler och sannolikt därför en större variation vad gäller organismer som anpassat sig till olika förhållanden.

Än så länge kan vi inte mäta atmosfärtryck kring exoplaneter och endast i begränsad utsträckning atmosfärers sammansättning. Teknisk utveckling, nya rymdteleskop m.m kan dock så småningom innebära helt andra möjligheter att studera planetatmosfärer. Forskarna hyser förhoppningar om att man inom en snar framtid för s.k superjordar ska kunna beräkna hur stor andel av inkommande strålning en planet reflekterar. Mycket moln innebär att en stor andel av strålningen reflekteras. Ökad kunskap om det och om energiflöden och planeters växthuseffekter kan ge en grov uppskattning av planeters atmosfärtryck. Det förutsätter dock att vi fyller de kunskapsluckor som idag finns kring hur atmosfärer bildas. Bilden nedan visar de energiflöden som vi har här på jorden.

(Bildkälla: Wikipedia)

Atmosfärforskningen sker således på ett flertal olika fronter. De data som rymdsonderna MAVEN och LADEE samlar in är inte bara betydelsefulla för forskningen avseende Mars och månen utan bidrar också med värdefulla kunskaper till de forskare som studerar vår egen jord och de forskare som letar efter jordkopior kring andra stjärnor.