Aan het einde van de winter en het begin van de lente op Mars, sublimeert koolstofdioxide-ijs (CO₂-ijs); het ijs wordt omgezet in gas. Dat brengt gasgedreven modderstromen op de hellingen op gang. De stromen kunnen zelfs grote rotsblokken honderden meters verplaatsen.

Hoe dit proces werkt, is uitgezocht door promovenda Lonneke Roelofs, werkzaam voor de vakgroep fysische geografie van Universiteit Utrecht. Ze gebruikte hiervoor een testopstelling in een grote tank waarin de atmosferische condities van Mars nagebootst kunnen worden. Daarmee bestudeerde ze hoe deze modderstromen op Mars ontstaan. „In een reservoir in de Mars-kamer zit een mengsel van zand en CO₂-ijs. Als ik aan een kabel buiten de Marskamer trek, gaat het deurtje van het reservoir open en kijken we wat er gebeurt.”

Water op Mars

Toen Lonneke’s promotor tien jaar geleden zijn proefschrift voltooide, groeide het idee dat de oorzaak van modderstromen op Mars anders was dan steeds gedacht. Het idee was steeds geweest dat de jaarlijkse stromen het gevolg zijn van vloeibaar water. „Maar het water dat nog op het oppervlak is, ligt daar opgeslagen als waterijs. Als het vloeibaar zou zijn, zou het in de ijle atmosfeer meteen verdampen”, weet de promovenda.

Op gedetailleerde beelden, die zijn genomen door satellieten die om de rode planeet cirkelen, is toch duidelijk beweging te bespeuren. „Als we die beelden met elkaar vergelijken en inzoomen op de modderstromen, zien we dat de landschappen veranderen. Een rotsblok ligt het ene jaar op een bepaalde plek en een jaar later 100 meter verderop.”

Vooral de geulen in de kraters hebben haar belangstelling. Deze kunnen makkelijk 3 kilometer lang zijn en hebben doorgaans hellingen van 30 graden. Aan de voet van de kraters zijn die hellingen met 10 graden een stuk minder steil. Lonneke: „Op zulke flauwe hellingen rolt zand niet meer uit zichzelf. Dus als sediment zich hier nog verplaatst, weet je dat er iets moet bestaan dat het sediment vloeibaar maakt.”

Steile vulkaanhelling

Toen ze dat zag, moest de promovenda denken aan haar eerste jaar als student aardwetenschappen. „Pyroclastische stromen op steile vulkaanhellingen vloeien net als de modderstromen die we zien op Mars. Het zijn door gas gedreven modderstromen, maar dan rond explosieve vulkanen op aarde. Deze kunnen op hun weg naar beneden ook enorme rotsblokken oppikken en meenemen. Zo’n proces speelt waarschijnlijk op Mars. Maar hoe CO₂ op Mars dat precies doet, is de grote vraag. En hoe onderzoek je dat? Dat is dus mijn promotieonderzoek aan de Universiteit Utrecht geworden.”

Om de hypothese van sublimerend CO₂-ijs te onderzoeken, maakt Lonneke gebruik van een testopstelling waarmee normaal gesproken aardse modderstromen worden bestudeerd. „We hebben de opstelling in een zogenaamde Mars-kamer geplaatst. Daarin bootsen we de modderstromen van zand en CO₂-ijs onder de atmosferische condities van Mars na. De luchtdruk is er een fractie van de aardse atmosfeer.”

Een steile stroomgoot van 30 graden moet een geul in de kraterrand voorstellen. Beneden zit een plaat onder een hoek van 10 graden waarover het zand verder kan uitstromen. „De testgoot houden we wel een beetje warm, want er moet een warmtebron zijn die het CO₂-ijs doet sublimeren.”

Kanalen op Mars

Op andere planeten spelen heel andere geologische processen een rol dan op aarde. Maar dat wisten veel wetenschappers vroeger niet. Lonneke: „Ze namen hun aardse begrippenkader mee naar de interpretatie van die oppervlakken.”

Een treffend voorbeeld daarvan is de interpretatie van de Italiaanse astronoom Giovanni Schiaparelli. Hij maakte in 1877 de eerste gedetailleerde kaart van het Marsoppervlak, compleet met ‘oceanen’ en ‘continenten’. Schiaparelli tekende structuren die hij ”canali” noemde, wat Italiaans is voor geulen. Zijn werk leidde tot veel speculatie over water en mogelijk leven op de roestbruine planeet, hoewel later bleek dat de kanalen optische illusies waren.

Na de eerste Marsmissies in de jaren 60 en 70 werden er foto’s naar de aarde gezonden van een vooral bekraterd en droog oppervlak. Maar latere missies, zoals het Vikingprogramma, toonden de eerste hoge resolutiebeelden van het Marsoppervlak. „Daarop zijn interessante dingen te zien, zoals geulen en opgedroogde rivierbeddingen. Daarin bevinden zich kraters, waaromheen vroeger water stroomde dat sediment achter de kraters heeft afgezet.” Het idee van een droge planeet vol kraters maar zonder water, klopt dus niet helemaal, aldus de promovenda.

Nieuws in beeld

Ingezoomd detailbeeld van modderstromen op Mars, genomen door HiRISE, een camera aan boord van de Mars Reconnaissance Orbiter van NASA. beeld NASA

Ingezoomd detailbeeld van modderstromen op Mars, genomen door HiRISE, een camera aan boord van de Mars Reconnaissance Orbiter van NASA. beeld NASA

Ingezoomd detailbeeld van modderstromen op Mars, genomen door CaSSIS, een camera aan boord van de Trace Gas Orbiter van ESA. beeld ESA

Dor en saai

Met alle data vanuit de ruimte en later ook vanaf het oppervlak veranderde het idee van een saaie dorre en droge planeet. „Rondrijdende wagentjes zoals Curiosity en Perserverance zijn in staat het oppervlak van heel dichtbij te bestuderen. Curiosity heeft ook karakteristieke golfribbels in kraters waargenomen, wat het bewijs is dat sommige kraters vroeger ondiepe meren waren. Vandaag de dag is Mars een droge woestijn met zandstormen en stoftornado’s die er veelvuldig voorkomen. Het in de kraters gestoven zand vormt gigantische woestijnduinen”, weet de onderzoeker te vertellen. „Curiosity heeft onder het zand zelfs waterijs gevonden.”

Lees ook

Leven er bijen, kevers en slangen op Mars; of toch niet?

De Marsatmosfeer is honderd keer ijler dan de aardse. „Van de atmosfeer bestaat 95 procent uit CO₂. Dat gas kent zijn eigen seizoensgebonden cyclus. Als het ’s winters -120 graden wordt, slaat CO₂ neer als rijp op de waterijskappen op de polen. Een metersdikke CO₂-ijslaag breidt zich uit richting de evenaar van de planeet. Voorbij die grens slaat er her en der ook nog wat CO₂-rijp neer. Juist dat kleine beetje veroorzaakt ter plekke modderstromen.”

De meeste activiteit vindt plaats in kraters in het grensgebied waar ’s winters nog net een beetje CO₂-rijp neerslaat. „Aan het einde van de winter warmen de hellingen in de zon al op terwijl er op de schaduwrijke hellingen nog deels CO₂-ijs aanwezig is. Aan de bovenrand vindt als gevolg van de opwarming wat erosie plaats, waardoor materiaal wordt verplaatst dat naar beneden rolt en een modderstroom in gang weet te zetten.”

Toen de nieuwe hypothese over de door CO₂ gedreven modderstromen opkwam, klampten veel wetenschappers zich vast aan het idee van vloeibaar water. „Ze verzonnen alle mogelijke verklaringen waarom er toch water zou moeten zijn. Maar hoe langer we kijken en des te meer data we binnenkrijgen, des te meer actieve geulsystemen we zien. Als de modderstromen die we nu op Mars zien vroeger door stromend water waren gevormd, zouden ze oud moeten zijn. De geulen die we nu zien, zijn juist nieuw.”

Opvallend detail is dat de meeste actieve geulen op het zuidelijk halfrond van de planeet voorkomen. Lonneke toont een kaart van Mars met stippen op plekken waar actieve modderstromen zijn gelokaliseerd. „Voorheen zagen we dat 10 procent van de geulen hier actief is. Dat wordt nu geschat op 80 procent. En over tien jaar kunnen we best concluderen dat alle geulen actief blijken te zijn.”

Stroomsnelheid

In de testopstelling in de tank verricht de promovenda allerlei metingen aan de gesimuleerde modderstromen. Ze onderzoekt de stroomsnelheid en hoe ver de zandstroom komt in de uitstroomgoot. „Wat we zien is dat de zandstroom onder aardse omstandigheden al stilvalt kort nadat het in de stroomgoot terechtkomt. Doen we hetzelfde onder Martiaanse condities, dan zien we dat de stroomsnelheid veel hoger is en het zand helemaal uitstroomt op dat flauwe hellinkje.”

Roelofs heeft hiervoor de volgende verklaring: „Wanneer het mengsel van zand en CO₂-ijs de warme bodem aanraakt, sublimeert het CO₂-ijs onder heel lage atmosferische druk, bijna vacuüm. De opeengepakte ijsmoleculen gaan dan abrupt over naar gasvorm. Daardoor ontstaan gasbellen in de modderstroom. Wanneer dit gas de zandkorrels uit elkaar duwt, gaat het zand zich als een vloeistof gedragen.”

Het proces waardoor de modderstroom op gang komt, is best complex, vervolgt Roelofs. „We denken dat er eerst een droge massa in beweging komt, zoals een rots-lawine op aarde. Die groeit vervolgens uit tot een modderstroom die wordt voortgedreven door sublimerend CO₂-ijs.”

Grote keien

Een prangende vraag is nog hoe deze door gas gedreven modderstromen grote keien kunnen meevoeren. „Op aarde kunnen vloeibare modderstromen met veel water gemakkelijk grote keien meenemen. Maar hoe gaat dat op Mars”, vroeg Lonneke zich af.

„Om dat te testen heb ik grind gepakt uit de tuin van de universiteit en dat bij de mix van zand en CO₂-ijs gestopt. Toen ik in de testopstelling het mengsel losliet, werd het grind er door de hoge gasdruk in stroming uitgegooid. Het is een heel krachtige stroming, waarvoor in verhouding maar weinig koolstofijs nodig is.”

Lonnekes promotieonderzoek maakt duidelijk dat de Marsiaanse modderstromen door sublimerend koolstofijs worden voortgedreven. „We zijn erachtergekomen dat CO₂-gedreven modderstromen bij het oppakken van materiaal wel tien keer zo effectief zijn als aardse modderstromen. Er is dus ook geen vloeibaar water nodig geweest om de landschappen op Mars te vormen.”