Toen de kleine NASA-rover Spirit in 2004 landde in de Gusevkrater op Mars, keken de astronomen hun ogen uit. Op de beelden was verweerd en afbrokkelend gesteente te zien, dat duidelijk zo lang was blootgesteld aan water dat het haast verrot leek.
Aan de andere kant van de planeet deed Spirits makker Opportunity al even grote ontdekkingen. In de Eaglekrater vond de rover afzettingen die in de begintijd van de planeet waren gevormd op de bodem van een grote, ondiepe zee.
De legendarische foto’s bevestigden wat de onderzoekers al dachten over de geschiedenis van het water op Mars: dat de planeet in de eerste miljard jaar na zijn ontstaan 4,5 miljard jaar geleden een warm klimaat had, met rivieren, meren en zeeën, maar dat het water toen verdween, met een kurkdroge, ijskoude en onherbergzame planeet als resultaat.
Maar dat verhaal moet nu worden herschreven. Nieuw onderzoek van het hele Marsoppervlak laat zien dat de geschiedenis van het water op Mars veel langer en complexer is dan gedacht.
Mineralen wijzen weg naar water
De nieuwe bevindingen zijn het resultaat van jarenlange waarnemingen door de ESA-satelliet Mars Express, die sinds 2003 in een baan om Mars draait, en NASA’s Mars Reconnaissance Orbiter, die in 2005 met zijn waarnemingen begon. Pas nu hebben we het volledige overzicht van de metingen en de impact daarvan.
De satellieten hebben allerlei mineralen op het Marsoppervlak in kaart gebracht, en de metingen brachten wel honderdduizend gebieden aan het licht die lang onder water hebben gelegen.
De NASA-satelliet Mars Reconnaissance Orbiter (r) richt zich op de interessantste gebieden van het Marsoppervlak, die door de ESA-satelliet Mars Express (l) zijn aangewezen.
Vloeibaar water laat afzettingen achter in de vorm van kleine kleideeltjes, die naar de bodem zinken. En als het water op een bepaald moment verdampt, blijven er grote hoeveelheden zout achter.
Tot verbazing van de onderzoekers bleek dat de zoutlagen op sommige plekken dieper liggen dan de kleilagen. Dat betekent dat het water meerdere keren moet zijn teruggekeerd, na miljoenen of soms zelfs miljarden jaren droogte.
‘We dachten te simpel over Mars. Het water verdween niet van de ene op de andere dag, maar kwam meermaals voor kortere of langere tijd terug,’ zegt John Carter van de Aix-Marseille Université in Frankrijk, die meewerkte aan het project om het Marsoppervlak in kaart te brengen.
Close-ups maakten Mars nat
Onze kennis over het natte verleden van Mars is nog maar zo’n 50 jaar oud. Daarvoor dachten planeetwetenschappers dat Mars altijd een droge woestenij is geweest, net als de maan.
Dat veranderde in 1971, toen de eerste close-ups van de satelliet Mariner 9 opgedroogde rivierbeddingen lieten zien. Dat duidde erop dat het ooit heeft geregend op de rode planeet.
Dit nieuwe inzicht werd gesteund door de twee Viking-sondes die in 1976 in een baan om Mars gingen en landingsmodules naar het oppervlak stuurden. Zij vonden sporen van bruisende rivieren die diepe kloven in het landschap hebben uitgesneden.
Ook bleek dat veel meteorietkraters in de begintijd van de planeet meren bevatten, en er werden zelfs aanwijzingen gevonden dat het uitgestrekte noordelijke laagland Vastitas Borealis rond de noordpool ooit werd bedekt door een ondiepe oceaan.
4 miljard jaar terug was de helft van het noordelijk halfrond van Mars bedekt met een oceaan van tot 1600 m diep.
Ten slotte wezen de metingen van de Viking-sondes uit dat de noordelijke ijskap water bevat in de vorm van ijs. Uit latere metingen bleek dat dit ook geldt voor de zuidelijke ijskap.
De theorie dat Mars in zijn eerste miljard jaar warm en nat was, werd definitief bewezen in 2004, toen de rovers Opportunity en Spirit in oude kraters sedimenten aantroffen die alleen in water gevormd konden zijn.
In 2004 maakte de rover Opportunity de eerste foto’s van sedimenten (inzet) in een voormalige oceaan op Mars.
Vier jaar later stuurde NASA de sonde Phoenix naar Vastitas Borealis. Het vaartuig schraapte met zijn robotarm de bovenste centimeter grond weg en vond ijs, dat achterbleef toen de oceaan verdween.
De satellieten Mars Express en Mars Reconnaissance Orbiter waren toen al bezig om het Marsoppervlak in kaart te brengen.
Satellieten meten warmtestraling
Beide satellieten zijn uitgerust met spectrometers. Deze instrumenten meten de warmtestraling die het oppervlak terugkaatst als het door het zonlicht wordt getroffen. De golflengten van de straling laten zien welke mineralen het oppervlak bevat.
Sedimenten tonen geschiedenis van water
De nieuwe satellietmetingen zijn gedaan met spectrometers, die de door het oppervlak gereflecteerde straling meten. De golflengten van de straling laten zien uit welke mineralen het oppervlak bestaat – en dus waar water is geweest.
Rode gebieden: Hier was een beetje water
Kleideeltjes slaan neer uit vloeibaar water en zinken naar de bodem. In gebieden waar een beetje water is geweest, bevatten de kleilagen dezelfde elementen als vast gesteente – vooral ijzer en magnesium.
Blauwe gebieden: Hier was veel water
In gebieden waar duizenden of miljoenen jaren lang veel water is geweest, heeft het water meer vast gesteente verweerd en opgelost. De afgezette klei is dus rijk aan waterhoudende aluminiumsilicaten.
Oranje gebieden: Hier is het water verdampt
Het water in de zeeën, rivieren en meren van Mars was rijk aan carbonaten, die op de bodem neersloegen toen het water verdampte. Nu laten deze zouten zien waar ooit waterrijke gebieden waren.
Groene gebieden: Hier is mogelijk nog water
Zout water in bijvoorbeeld een meer slaat neer als het meer droogvalt. De zouten, die watermoleculen bevatten, kristalliseren in de ondergrond, waar ze een soort onzichtbaar waterreservoir vormen.
De Mars Express heeft de hele planeet in kaart gebracht met een resolutie van 200 meter per pixel, de Mars Reconnaissance Orbiter maakte gedetailleerde kaarten van bijzonder interessante gebieden met een pixelgrootte van slechts 10 meter.
Voordat deze twee satellieten het Marsoppervlak in kaart brachten, kenden we 1000 gebieden met mineralen die in vloeibaar water zijn gevormd. Nu zijn dat er 94.083.
De door water gevormde mineralen zijn gedateerd door het aantal inslagkraters in een bepaald gebied te tellen. Hoe minder kraters, hoe jonger het oppervlak. Daaruit blijkt dat er nog maar 2 miljard jaar geleden water stroomde op Mars.
Dat het water in de geschiedenis van Mars diverse keren is teruggekeerd, toont aan dat het klimaat er in meerdere perioden aanzienlijk warmer is geweest dan de gemiddelde temperatuur van -60 °C die Mars nu kent.
Op diverse plekken, zoals in de Jezerokrater, liggen sedimenten van klei (rood en blauw) op sedimenten van zout (oranje). Hieruit blijkt dat het water is verdwenen en teruggekeerd.
Die conclusie werd onlangs op spectaculaire wijze ondersteund door de Chinese rover Zhurong, die actief is in de Marskrater Utopia Planitia, de grootste krater van het zonnestelsel.
De rover heeft een radar die wel 100 meter diep de bodem in kan kijken, en de metingen brachten twee lagen aan het licht met grotere stenen onderin en kleinere steentjes bovenin.
De twee lagen tonen aan dat de krater respectievelijk 3 en 1,6 miljard jaar geleden is blootgesteld aan forse overstromingen.
Radarmetingen van de Chinese rover Zhurong brachten twee lagen ondergrondse sedimenten aan het licht. De bovenste laat zien dat er 1,6 miljard jaar geleden vloeibaar water was op het oppervlak van Mars.
De Chinese planeetwetenschappers denken dat het ging om bevroren zout grondwater dat smolt en naar de oppervlakte opwelde. Dit kwam waarschijnlijk door een plotse opwarming door planetoïde-inslagen of vulkaanuitbarstingen.
De radarmetingen voegen nog eens 400.000 jaar toe aan de geschiedenis van het water op Mars. Dit betekent dat de planeet niet alleen in zijn begintijd, maar ook miljarden jaren later goede omstandigheden voor leven heeft gehad.
Water verdween door dunne atmosfeer
Hoewel Mars dus meermaals vloeibaar water heeft gekend, raakte de planeet zijn water uiteindelijk kwijt doordat de atmosfeer steeds dunner werd.
Zonder atmosfeer om de warmte van de zon vast te houden, veranderde de blauwe planeet in de rode planeet die we nu kennen.
Natte planeet werd gevriesdroogd
1. Vulkanen hielden water vloeibaar
In de begintijd van Mars vulden vulkaanuitbarstingen de atmosfeer met CO2, dat de warmte van de zon en zo het water vasthield. De planeet had veel rivieren, meren en oceanen.
2. Inslagen maakten atmosfeer dunner
3,9 miljard jaar geleden werd Mars gebombardeerd door planetoïden, en de ‘terugslag’ daarvan duwde veel CO2 uit de atmosfeer. Ook blies de zonnewind CO2 weg van de planeet.
3. Vloeibaar water werd damp en ijs
Doordat de atmosfeer dunner werd, bevroor de planeet geleidelijk. Het meeste water verdampte naar de ruimte. De rest bevroor, en dat ijs bestaat in sommige meteorietkraters nog steeds.
4. Waterreservoirs overleefden onder het ijs
Beide polen van Mars zijn nu bedekt met ijskappen, en metingen van de Mars Express suggereren dat onder de ijskap aan de zuidpool een enorm meer van vloeibaar zout water schuilgaat.
Helemaal droog is Mars echter niet. De waterhoudende mineralen aan het oppervlak laten zien waar de bodem waarschijnlijk meer water bevat. Daardoor kunnen de satellietkaarten ook invloed hebben op de eventuele aanleg van bemande Marsbases in de toekomst.
Tot dusver was de noordelijke vlakte Vastitas Borealis, waar zich vlak onder de oppervlakte ijs bevindt, de beste kandidaat. Het grote nadeel is dat het er met -97 °C extreem koud is.
Dichter bij de evenaar is het klimaat vriendelijker, met temperaturen tussen -70 en 20 °C. Hier bevat de ondergrond geen ijs, maar de data van de twee satellieten duiden erop dat de vlakte Meridiani Planum veel waterhoudende mineralen bevat, die als watervoorziening kunnen dienen voor een Marskolonie.
De grote vlakte Meridiani Planum is een kandidaat voor de eerste Marsbases. Vlak onder het oppervlak bevindt zich water, gebonden in mineralen.
De satellietwaarnemingen zijn niet alleen belangrijk voor ons begrip van de geschiedenis van Mars en de planning van toekomstige Marsbases – ze kunnen ons ook op het spoor zetten van voormalig leven op Mars. Van de aarde weten we dat water een voorwaarde is voor leven, dus de satellietkaarten laten zien waar we het beste kunnen zoeken naar tekenen van leven.
Een goed voorbeeld is de Jezerokrater, waar ooit een groot meer was met een rivierdelta. Hier verzamelt de NASA-rover Perseverance nu boorkernen, die in 2033 naar de aarde gaan voor analyse in geavanceerde laboratoria.
Misschien hebben we tegen die tijd bewijs dat Mars niet alleen nat was, maar ook vruchtbaar.
Volg de zoektocht naar leven op Mars
De laatste 25 jaar zijn er meermaals tekenen van leven gevonden op Mars, maar telkens was het bewijs uiteindelijk toch niet overtuigend. Nu zet de wetenschap in op boormonsters die naar de aarde worden gebracht. Lees hier over de mijlpalen in de zoektocht naar Marsleven.