כל מי שמסתכל על מאדים היום ממסלול גבוה יראה שני כתמים לבנים גדולים בקטבים שלו: אלו כיפות קרח קוטביות המורכבות בעיקר מקרח מים. מה שלא ברור מאליו הוא הכוריאוגרפיה העונתית של פחמן דו-חמצני (CO2)אשר בכל חורף מתעבה לשכבת קרח יבש, ובאביב ובקיץ מתאדה וחוזרת לאטמוספירה. תנועה זו הלוך ושוב, בשילוב עם רוחות עזות ואבק, מפסלת נוף קוטבי שמשתנה בקצב מהיר באופן מפתיע לגיאולוגיה של מאדים.
להבין איך מנצחים ומפסידים בכמויות גדולות זה לא קוריוז: זהו חלק מרכזי בשחזור האקלים של כוכב הלכת האדום.כדי לכמת כמה מים נותרו זמינים (והיכן) ולהעריך את עברם ואת יכולת המגורים הפוטנציאלית שלהם. בשני העשורים האחרונים, מכ"ם, מצלמות ברזולוציה גבוהה במיוחד ומודלים אקלימיים תלת-ממדיים שינו את התסריט: כיום אנו יודעים שמתחת לקרח ישנם רישומי אקלים רב-שכבתיים, שקיימות עתודות קבורות עצומות, ושייתכן שאפילו יש (או היו) מים נוזליים היפר-מליים בעומקים גדולים, אם כי לפרשנות זו יש חלופות סבירות.
מהם כיפות הקרח הקוטביות של מאדים וכיצד הן פועלות?
מאדים מתחזק שני כובעים קבועיםצפון ודרום, נוצרו בעיקר מקרח מים ומכוסים, בהתאם לעונה, בקרח יבש. במהלך החורף בחצי הכדור המוצל, בין 25% ל-30% מהאטמוספרה מושקע כפחמן דו-חמצני קפוא.יצירת שכבת אבק שתעלה חזרה לאוויר באמצעות סובלימציה עם הגעת אור השמש. מחזור זה מעביר אבק ואדי מים, ויוצר ענני כפור וצירוס, וקובע את קצב הסחיפה וההצטברות.
האסימטריה בין הקטבים ראויה לציון: בצפון, שכבת ה-CO2 החורפית מגיעה לעובי של כמטר אחד, בעוד שבדרום נותר כיסוי שיורי של קרח יבש בעובי של קרוב ל-8 מטרים כל השנהיריעת הקרח הצפונית היא בקוטר של כ-1.000 ק"מ בקיץ והיא אוגרת כ-1,6 מיליון קמ"ק של קרח מים (עובי ממוצע השווה לכ-2 ק"מ אם הייתה פרוסה באופן שווה), בהשוואה ל-2,85 מיליון קמ"ק בגרינלנד. מדרום, יריעת הקרח היא בקוטר של כ-350-400 ק"מ ועובייה כ-3 ק"מ, כאשר נפחה הכולל (יריעת קרח בתוספת משקעים בשכבות סמוכות) מוערך גם הוא ב-1,6 מיליון קמ"ק.
שני הכיפות מציגות שקעים ספירליים, חריצים סליליים של ממש אשר, על פי מכ"ם SHARAD של ה-MRO, הם נוצרים על ידי רוחות קטבטיות המונחות על ידי סיבוב (אפקט קוריוליס)מחקרים עדכניים חידדו את האבחנה: 80% מהחריצים מראים אסימטריה התואמת את מכניקת הרוח, אך כ-20% מהם בעלי קטעי "V" כמעט סימטריים ללא כיסוי העננים הצפוי, דבר המצביע על תהליכי סחיפה נוספים, הקשורים אולי לשינויי אקלים לפני 4-5 מיליון שנה ששינו את מחזור המים, הרוחות והעננים.
גיוון מורפולוגי זה בא לידי ביטוי גם בכיסוי העננים: עננים המיושרים עם החריצים זוהו במאות תמונות מסלוליותבמיוחד ליד הקוטב, אך ישנם אזורים עם טופוגרפיה נוחה שבה עננים נעדרים באופן בולט. הפרשנות ברורה: כיפות קרח הן מערכת מורכבת שבה רוחות, אור שמש, חספוס פני השטח, אבק וטופוגרפיה מתכנסים, ללא "מנוע" אחד ששולט.
הבדלים בין כיפות הקרח הצפוניות והדרומיות
כיפת הקרח הצפונית ממוקמת בגובה נמוך יותר (בסיס בגובה של כ-5.000- מטר, תקרת גובה בגובה של כ-2.000- מטר) מאשר כיפת הקרח הדרומית (בסיס בגובה של קרוב ל-1.000 מטר, פסגה עד 3.500 מטר). בהיותו בגובה נמוך יותר וחם יותר במקצת בקיץ, ה-CO2 העונתי בצפון עובר סובלימציה מוחלטת מדי שנה.וכך נותרה כיפת קרח שיורית העשויה מקרח מים. לקראת סוף הקיץ ותחילת הסתיו, נוצרת "מכסה הקוטב": כיסוי עננים המשקע קרח יבש ומעבה את השכבה העונתית. כיפת הקרח הצפונית, סימטרית למדי סביב הקוטב, משתרעת לקווי רוחב הקרובים ל-60° ומציגה מרקם של חריצים, סדקים וגבשושיות הדומים ל"גבינת קוטג'" בתמונות ברזולוציה גבוהה (Mars Global Surveyor).
דרכו עוברת צ'סמה בוריאלה, עמק קולוסאלי שרוחבו כ-100 ק"מ ועומקו עד 2 ק"מ. המשקעים הלמינציה הנמצאים מתחת לכיפת הקרח הם זיכרון האקלים, וקריאות המכ"ם שלו אפשרו לחוקרים לפענח מעת לעת כיצד רוח, אבק וקרח השתנו עם שינויים בנטיית ציר מאדים.
כיפת הקרח הדרומית גבוהה יותר בגובה, קרה יותר, ובניגוד לצפונית, יש בה חלק שיורי של קרח יבש. הוא אינו ממוקם במרכז בדיוק על הקוטב הגיאוגרפי.אקסצנטריות זו מוסברת על ידי חוסר איזון בשלג היורד מצד אחד ומצד שני, המושפע ממערכת לחץ נמוך בחצי הכדור המערבי הקשורה לאגן הלס: היכן שיורד יותר שלג, האלבדו גבוה יותר ופחות שלג עובר סובלימציה; היכן שולט הכפור הגס יותר, יותר אנרגיה נספגת והאבלציה גוברת.
פני השטח של הכיפה השיורית הדרומית דומה ל"גבינה שוויצרית": שקעים וגבעות עגולות שנסוגות מספר מטרים בשנה על מאדים (בממוצע, כ-3 מטר, עם פסגות של עד 8 מטר). שמש הקיץ, המתחקה אחר עיגולים נמוכים מעל האופק, מאירה את הקירות המעוגלים בעוצמה רבה יותר מאשר את הקרקעיות, מה שמחזק את הסחיפה ההיקפית ומעדיף צורות מעגליות יותר. HiRISE הראה שבורות אלה נפתחים בשכבת CO2 בעובי של 1 עד 10 מטרים הנחה על מסה גדולה בהרבה של קרח מים; הקירות המשופעים מרכזים את הקרינה ומאיצים את האבלציה.
תהליכים עונתיים קיצוניים: CO2, גייזרים ו"עכבישים"
במהלך החורף האוסטרלי, אזורים גדולים ליד יריעת הקרח מכוסים בשכבות פחמן דו-חמצני בעובי של כמטר אחד. בתחילת האביב, השמש מחממת את האדמה מתחת לאותם לוחות שקופיםהגז מצטבר, מרים את לוח הקרח וסדק אותו. סילוני פחמן דו-חמצני עמוסים בחול או אבק בזלת כהה משתחררים, ויוצרים גייזרים של ממש שבמשך ימים או שבועות מציירים תבניות של תעלות רדיאליות על הקרח המכונות "עכבישים".
תעלות התפרצות כוכבים יכולות להגיע לרוחב של יותר מ-500 מטר ועומק של מטר אחד. מודל מקובל מציע ש אור השמש מחמם גרגרי אבק המשובצים בקרחגבישי קרח אלה יורדים דרך התכה מקומית, יוצרים פערים מאחוריהם ומבהירים עוד יותר את הקרח. הקרינה מגיעה לבסיס הכהה של הלוח בצורה יעילה יותר, ויוצרת גז הזורם לתוך סדקים ופתחי אוורור אל פני השטח; החומר הנפלט יוצר מניפות כהות הנישאות על ידי הרוח. עם בוא החורף הבא, התהליך מתאפס תחת שכבת כפור חדשה.
שכבות מרובדות, מכ"ם וזיכרון אקלים
משקעים שכבתיים פולאריים (PLDs) נוצרים ממחזורים של הצטברות ואבלציה של קרח מלווים באבק מסופות ורוחות. כמו טבעות עצים או ליבות קרח על פני כדור הארץהם משמרים רמזים לאקלים בעבר: שינויים בקרינת השמש, פרקים מאובקים יותר, ופאזות רטובות או יבשות יותר. יתר על כן, שתי כיפות הקרח מציגות פסים וחריצים המווסתים על ידי זרימת הרוח וכיווני השמש; משטחים כהים יותר סופגים יותר אנרגיה ומאיצים את תהליך ההידרדרות.
מכ"ם SHARAD חשף אזורים מתחלפים בעלי רפלקטיביות גבוהה ונמוכה בתוך ה-PLDs. זה מתואם עם מודלים של וריאציה של אלכסון (נטיית ציר מאדים). נראה כי האזורים העליונים, החדשים יותר, בעלי ההשתקפות הגבוהה, תואמים לתקופות עם תנודות אלכסוניות קטנות יחסית; השכבות המאובקות יותר קשורות לאטמוספרות עמוסות אבק.
עם זאת, פירוש בהירות השכבות דורש זהירות. תצפיות HiRISE הראו שהניגודיות הנראית לעין זה תלוי במידה רבה בגיאומטריה של השמש ובזווית התצפית., מחספוס פני השטח ומנוכחות כפור טרי. HiRISE לא חשפה שכבות דקות יותר מאלה שנראו על ידי Mars Global Surveyor, אך היא חשפה פרטים פנימיים רבים יותר.
שילוב של הדים של SHARAD עם מודלים תלת-ממדיים חשף מכתשים קבורים המסייעים לתארך רצפים גיאולוגיים. בקוטב הצפוני, מדידות מכ"ם מעריכות את נפח קרח המים באזורי PLD בכ-821.000 קמ"ק. כ-30% מנפחה של גרינלנדובשנת 2017, פרסמה סוכנות החלל האירופית (ESA) פסיפס גדול של המכסה הצפוני שצולם על ידי מאדים אקספרס, אשר שם את הארכיטקטורה המורכבת של חריצים ושכבות בפרספקטיבה.
CO2 קבור וקרחונים דרומיים גדולים
מדרום, זוהו עתודות גדולות של CO2 מוצק קבורות בשלוש חבילות סטרטיגרפיות, כל אחת אטומה בכ-30 מטר של קרח מים המונע את סובלימציה שלו. אם כל ה-CO2 הזה היה משתחרר לאטמוספירה, הלחץ על פני השטח היה יכול להכפיל את עצמו.נראה כי שכבות אלו קשורות לאפיזודות של קריסה ושחזור אטמוספריים לאורך ההיסטוריה של מאדים, הקשורות קשר הדוק לשינויים במסלול.
מקיף את הקוטב הדרומי משתרעת תצורת דורסה ארג'נטאה, שדה עצום של אסקרים (רכסי משקעים שהושקעו על ידי נהרות תת-קרחוניים) הנחשבים לשריד של יריעת קרח ענקית שכיסתה כ-1,5 מיליון קמ"רכמעט כפול מגודלה של מדינת טקסס. זהו חלק מרכזי בשחזור קרחונים עתיקים וזרימות הקרח המתועלות בחצי הכדור הדרומי.
מים נוזליים מתחת לקרח: גילויים ודיון
בשנת 2018, צוות שניתח את מכ"ם MARSIS במארס אקספרס דיווח על אזור מחזיר אור גבוה 1,5 ק"מ מתחת למשקעים המרובדים של הקוטב הדרומי, ברוחב של כ-20 ק"מ, שפורש כ... אגם מים מלוחים תת-קרחוניהתגלית זעזעה את התחום: אם תאושר, זוהי המסה היציבה הראשונה של מים נוזליים שנמצאה על מאדים ומטרה אסטרוביולוגית מרכזית.
עם זאת, עבודה מאוחרת יותר הציעה אלטרנטיבה מפוכחת יותר: חרסית סמקטיט קפואה (סיליקט אלומיניום מיובש) יכולה לשחזר את אותם אותות מכ"ם. מדידות מעבדה של מקדם דיאלקטרי בדגימות מונטמורילוניט בטמפרטורות קריוגניות ממצאים אלה תואמים את ההדים מ-MARSIS, ואנו יודעים שסמקטיטים נמצאים בשפע על מאדים (מכסים כמעט מחצית מפני השטח, עם ריכוז גבוה יותר בחצי הכדור הדרומי). ייתכן שהם נוצרו ממים נוזליים לפני יותר מ-100 מיליון שנה ולאחר מכן נקברו מתחת לכיפת הקרח. המדע ממשיך את דרכו: ישנן השערות מתחרות ותצפיות נוספות עתידיות לבוא.
קרח נסתר ושמורות קבורות
מכ"ם SHARAD חשף גם עירובים של חול וקרח עם תכולת מים גבוהה מאוד (עד 90% מים) בעומקים גדולים מתחת לכיפת הקרח הצפונית. אם כל הקרח הקבור הזה יימס ויתפשט ברחבי העולםהוא ייצר שכבה בעומק של לפחות 1,5 מטרים על פני מאדים. מחקרים מסוימים מציבים אותו כמאגר המים השלישי בגודלו של כוכב הלכת, לאחר שני כיפות הקרח. ניתוח עצמאי המשתמש בנתוני כוח משיכה תמך בקיומו.
משקעים אלה משתלבים עם מחזור של חילופי קרח בין קטבים לקווי רוחב בינוניים, ומתחברים לקרחונים קבורים שכבר אושרו באזורים אלה. גיל דומה של שתי הקבוצות זה מצביע על שלבים אקלימיים רחבים (הנאלצים על ידי אלכסון) שפיזרו מחדש באופן שיטתי את קרח המים במשך מיליוני שנים.
מאזן מים ואובדן אטמוספרי
בכל חורף על מאדים, כ-3-4 טריליון טונות של פחמן דו-חמצני קופאים על כיפת הקרח של חצי הכדור החשוך. שווה ערך ל-12-16% מהמסה האטמוספריתהגשושות אף מדדו שינויים קטנים בשדה הכבידה של מאדים הנגרמים כתוצאה מ"שאיבה" עונתית זו של מסה.
כדי לכמת את אובדן המים לאורך ההיסטוריה, כלי מכריע הוא יחס דאוטריום/מימן (D/H). במים של מאדים של ימינו, העשרת הדאוטריום גבוהה בהרבה מאשר בכדור הארץ. (נמדד הן באדים והן בקרח קוטבי), דבר המצביע על כך שמימן אבד באופן מועדף לחלל בעקבות פוטודיסוציאציה על ידי קרינת שמש. מחקרים אחרונים מעריכים כי מאדים איבד נפח השווה ערך לאוקיינוס עולמי בעומק של כ-137 מטר, אשר היה מכסה כ-20% מפני השטח (במיוחד בחצי הכדור הצפוני התחתון, באזור Vastitas Borealis ובמישורים הסמוכים).
יש מים מעבר לקטבים. נתוני נויטרונים תרמיים ממוניטור ה-MONS במאדים אודיסיאה, שנאספו במשך 18 שנים, מצביעים על מימן בשני המטרים הראשונים של תת-הקרקע על פני שטחים נרחבים. עולה בקנה אחד עם קפאת-עד רדודה במיוחדהערכות קלאסיות מתקופת הוויקינגים כבר הציעו שכבת קפאת-עד בעובי של 3-5 ק"מ בקו המשווה ו->8 ק"מ לכיוון הקטבים, אם כי נתונים אלה תלויים במודל שאומץ.
בריחת המימן הנוכחית שנמדדה על ידי משימות כמו MAVEN אינה מספיקה כדי להצדיק את כל ההתייבשות העתיקה, אבל האקלים של מאדים אינו סטטימודלים אקלימיים גלובליים באיכות גבוהה (Mars-PCM) מראים כי בתקופות של אלכסון גבוה (עד ∵35°), קרינת השמש הקוטבית ועוצמת מחזור המים גוברים: אדים מגיעים לשכבות גבוהות, מתפרקים, ומימן בורח בקצב גבוה עד פי 20 מהקצב הנוכחי. אפיזודות אלו, החוזרות על עצמן במשך עידנים, יכולות להסביר את אובדן עמודת המים העולמית השווה לכ-80 מטר, בטווח ההערכות הנמוכות יותר של מים קדומים.
סופות אבק מספקות מנגנון נוסף: מגדלי הסעה שמעלים את הלחות לגובה של מעל 80 ק"מ במהלך אירועים גדולים, הוא מאפשר פוטודיסאציציה ובריחה. למרות שתרומתו השנתית נראית כרגע צנועה, הוא ממחיש כיצד מחזור הדם והאבק מקשרים בין פני השטח, האטמוספרה ואובדן המים לחלל.
רוחות, עננים ודינמיקה של תלמים ספירליים
ניתן לקרוא את "השעון" של כיפות הקרח גם בחריצים הספירליים שלהן. הרוחות הקטביות הקרות היורדות במדרונות, כשהן מתכופפות עקב אפקט קוריוליס, חורצות תעלות עם קירות אסימטריים על פני חלק ניכר מהכיפה. אבל לא כל ה"שפלות" מספרות את אותו סיפורחלק ניכר מהאדמה מציג צורות סימטריות בצורת "V" והיעדר עכירות נלווית, דבר המצביע על מקורות אחרים של סחיפה (קרני שמש, התכה/סובלימציה דיפרנציאלית, שינויים במתח הקרח) ורגישות רבה יותר למצבי אקלים ספציפיים של מיליוני השנים האחרונות.
מעקב אחר עננים מעל כיפת הקרח במשך כ-18 שנות כדור הארץ חשף מאות מקרים של עננים מקבילים לחרימים, במיוחד לכיוון מרכז הקוטב. היכן שניתן היה לצפות לעננים עקב דינמיקת הרוח, הם אינם מופיעיםמשתנים אחרים (חספוס, יציבות אטמוספרית, לחות זמינה) עשויים לשחק תפקיד. הבנת מה שולט בשונות מרחבית וזמנית זו היא המפתח לפירוש פליאו-אקלים וקביעת סדרי עדיפויות לאזורי דגימה עתידיים.
העניין אינו רק אקדמי: אם מחפשים מים נגישים למשימות מאוישות, האזורים הסחופים ביותר בשולי כיפות הקרח אינם, אפריורי, ההימור הטוב ביותררובר ייעודי יוכל למדוד במקום את מבנה החריצים, את המיקרופיזיקה של העננים ואת הסטרטיגרפיה של שכבות ה-PLD, ובכך לסגור אלמונים רבים שנפתחו על ידי חישה מרחוק.
השלכות על מדע וחקר
מאדים מרכז מים במצבים ובמקומות שונים מאוד: כיפות קרח של מים עם נשימה עונתית של CO2, עתודות קבורות ענקיות מתחת לשכבות של חול, קפאת-עד רדודה נרחבת, ואולי מים נוזליים היפר-מליים מתחת לקוטב הדרומי (או חרסית המחקה את חתימת המכ"ם שלה). תפוצה זו לא רק מעצבת את עברו הראוי למגורים של כדור הארץ, אלא גם את הלוגיסטיקה של בסיסים אנושיים עתידיים ואת תכנון משימות רובוטיות.
נראה שחלק מהמים הקדמוניים "נצמדים" במינרלים של הקרום: הפקתו תדרוש חימום של כמויות עצומות של סלע.זה לא מעשי בטווח הקצר. מכאן העניין בקרח נגיש (על פני השטח או על פני השטח) ובהבנת האופן שבו שינויים מסלוליים מגדירים מחדש את זמינותו. משימות מאדים אקספרס, MRO/SHARAD ו-MAVEN, יחד עם הרוברים, הניחו את היסודות; העשורים הקרובים ידרשו מכשור תת-קרקעי מדויק יותר, רשתות סייסמיות קוטביות, ובתקווה, משלחת ראשונה למרבץ שכבתי.
כיפות הקרח הקוטביות של מאדים הן מערכת חיה בטווח זמן גיאולוגי קצר: הן צוברות ומאבדות CO2 וקרח בקצב מדיד, שינויים קלים באלבדו מפעילים לולאות משוב, הרוחות מפסלות ספירלות ו"גבינות שוויצריות"ומכ"ם חושף ספריות אקלים שנערמו מתחת לפני השטח. מאזן המים של מאדים כתוב בדיו של אלכסון, אבק ופיזיקה של קרח; זו הסיבה שחקר כיפות הקרח שלו אינו רק סקרנות קוטבית, אלא המפתח להבנת מתי, כיצד והיכן מאדים היה רטוב יותר, כמה מים הוא עדיין מכיל, ואילו הזדמנויות הוא מציע למדע ולחקירה אנושית.
