2011-02 MIRA Ceti sprak met... Frank Daerden

“Beter een goede buur dan een verre vriend” stelt de volkse wijsheid. We hebben wel een probleem als die goede buur meteen ook een verre buur blijkt te zijn. En de buren van onze Aarde staan nu eenmaal op tientallen miljoenen kilometers. Maar sinds het aanbreken van het ruimtevaarttijdperk kunnen wij onze zintuigen letterlijk transporteren naar die verre werelden, het komt er dan enkel op aan om ter plaatse relevante waarnemingen te doen en die op de juiste manier te interpreteren.

Een van de specialisten op het gebied van de Marsatmosfeer is Frank Daerden (°1972) die als wetenschapper verbonden is aan het BIRA, gelegen naast het KMI in Ukkel. Frank is doctor in de theoretische fysica, maar heeft toch vooral een grote passie voor het praktische onderzoek van de concrete werkelijkheid. MIRA Ceti interviewde de man die een belangrijke bijdrage leverde aan de eerste studie over sneeuwval op Mars.

 

Bedankt, Frank, om MIRA op het Belgisch Instituut voor Ruimte-Aëronomie, beter bekend als het BIRA, te ontvangen. Wat moeten wij ons concreet voorstellen bij het begrip aëronomie?

 

We zullen die term even schetsen in zijn historische context. Voor aanvang van de 20^ste eeuw werd er natuurlijk ook al onderzoek verricht naar het weer, maar het echt systematisch en methodisch onderzoek van het weer en het klimaat via de wetenschap die men de meteorologie noemt dateert van de eerste decennia van de 20^ste eeuw. In 1913 werd de ozonlaag ontdekt, en vanaf de jaren 1930 heeft men die systematisch onderzocht en het grote belang ervan vastgesteld voor de aardatmosfeer. Die laag bevindt zich op een hoogte van 20 à 30 km, wat een stuk hoger is dan het gebied in de atmosfeer waar de normale weerfenomenen zich voordoen. En zo is langzaamaan het besef gegroeid dat er boven de weerzone nog een heel stuk atmosfeer is dat ook heel belangrijk is voor het leven op Aarde. Met behulp van weerballonnen en sinds het eind van de jaren 1950 en het begin van de jaren 1960 met de opkomst van de ruimtevaart kreeg men geleidelijk zicht op de verschillende componenten van de dampkring van onze planeet: de laag tussen 0 en 15 km hoogte waar het weer zich voordoet noemt men de troposfeer, dan is er tot 50 km hoog de stratosfeer met daarin de beroemde ozonlaag, vervolgens hebben we de mesosfeer tot zo’n 90 km hoog en vanaf daar hebben we de thermosfeer tot op ruim 500 km boven het aardoppervlak en uiteindelijk de exosfeer die zich in de ruimte uitstrekt, maar in die bovenste honderden km wordt de atmosfeer wel extreem ijl.

Het BIRA werd in 1964 opgericht door Marcel Nicolet die als wetenschapper verbonden was aan het KMI en bijzonder veel interesse aan de dag legde voor het bovenste stuk van de atmosfeer. Hij is trouwens een van de grondleggers van de aëronomie, die we kunnen omschrijven als de wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de volledige atmosfeer. En het betreft niet alleen de atmosfeer van de Aarde, maar ook die bij andere hemellichamen. Om een strikt onderscheid te maken tussen meteorologie en aëronomie kunnen we stellen dat de meteorologie enkel kijkt naar de fysische bestanddelen van de atmosfeer, dus de druk, temperatuur, vochtigheid en beweging van de lucht, terwijl de aëronomie vooral gefocust is op de chemische samenstelling van de lucht. Zo komen we automatisch terecht bij onderwerpen zoals het gat in de ozonlaag, luchtvervuiling, smog, ozonpieken in de troposfeer, fijn stof, de studie van de hoger gelegen luchtlagen, enz. En ook het fenomeen van de klimaatsverandering past binnen het onderzoeksdomein van het BIRA.

 

Je wees al op het belang van de ozonlaag in de atmosfeer van onze Aarde.

 

Een heel uniek fenomeen, die ozonlaag. Men benadrukt altijd hoe ontzettend belangrijk die is voor de bescherming van het leven op Aarde omdat ze de uv-straling van de Zon tegenhoudt, hetgeen absoluut waar is. Maar een aspect dat minstens even belangrijk is, betreft de invloed van de ozonlaag op de temperatuur binnen de aardatmosfeer. We zien de temperatuur van gemiddeld zowat 20°C aan het aardoppervlak geleidelijk dalen tot hij op ongeveer 15 km hoogte al afgekoeld is tot -60 à -80°C. Je zou normaal gezien verwachten dat de temperatuur bij een toenemende hoogte verder blijft dalen, maar dat wordt verhinderd door de ozonlaag. Ozon absorbeert namelijk vrij veel zonnestraling, en dat heeft een opwarmend effect dat zich laat voelen tot aan de mesosfeer.

Wat is daar nu het belang van? Die temperatuursevolutie controleert de stabiliteit van de atmosfeer en vooral van de waterdamp in de atmosfeer. Als de temperatuur op 15 km hoogte terug begint te stijgen creëert dat een barrière die men de tropopauze noemt en die het de luchtdeeltjes heel moeilijk maakt om van daaronder naar boven te stijgen. Zo is er heel veel waterdamp in de troposfeer, maar heel weinig in de stratosfeer. Dat betekent dus eigenlijk dat de troposfeer en de ozonlaag uiteindelijk ook het water dicht bij het aardoppervlak vasthouden, en dat water heel belangrijk is voor leven op Aarde hoeft geen betoog.  

 

Jij hebt samen met binnen- en buitenlandse collega’s modellen ontwikkeld die het mogelijk maken de stratosfeer beter te begrijpen?

 

Inderdaad. Vooreerst wil ik zeggen dat het BIRA zeer betrokken is in internationale samenwerking, en participeert in projecten van onder meer de EU, de ESA, enz. Zo heb ik bv. meegewerkt aan het project MAPSCORE over stratosferische wolken, en dat is uiteindelijk mijn specialiteit geworden. Nu zal je misschien zeggen: wolken in de stratosfeer? Ik kwam immers net te vertellen dat er daar vrijwel geen waterdamp is. Maar als het echt extreem koud wordt in de atmosfeer, dan zal de zelfs de beperkte hoeveelheid waterdamp die daar aanwezig is leiden tot het ontstaan van ijswolken. Opmerkelijk is dat het allerkoudste gebied in de hele aardatmosfeer zich bevindt boven de evenaar op 15 à 20 km hoogte. Het is daar nog kouder dan boven de polaire gebieden. Tijdens verschillende poolexpedities zijn dergelijke polaire stratosferische wolken op hoogtes van 20 tot zelfs 30 km al herhaaldelijk opgemerkt waarbij zeer interessante kleurschakering te zien zijn, ze worden daarom ook vaak parelmoerwolken genoemd.

Die polaire stratosferische wolken spelen bovendien een heel speciale rol bij de afbraak van ozon door een ingewikkeld proces van chemische reacties. Dat kan om het even waar in de atmosfeer gebeuren, maar de polaire stratosferische wolken zorgen voor een omgeving waar die reacties wel honderd keer sneller kunnen plaatsvinden dan normaal. Vandaar dat het gat in de ozonlaag ontstaat vlak na de polaire winter, daar waar de temperatuur het laagst is en die ijswolken zich vormen.

 

Waarom is er geen gat in de ozonlaag boven het equatoriale gebied als het daar op 15 à 20 km hoogte ook zo koud is?

 

De belangrijkste component voor de afbraak van ozon is chloor. Daarom besliste de internationale gemeenschap omstreeks het eind van de jaren 1980 wereldwijd inspanningen te doen om de uitstoot van de zogenaamde CFK’s te reduceren. En zo komen er veel minder chlooratomen die in die chloorfluorkoolstofverbindingen zitten in de atmosfeer terecht. Nu is het zo dat het voornamelijk de westerse geïndustrialiseerde wereld is die vanaf de jaren 1950 massaal CFK’s is gaan produceren, en door de grote luchtcirculatiepatronen in de aardatmosfeer waarbij lucht van de evenaar richting poolgebieden gestuwd wordt, komt de uitgestoten chloor weliswaar na ettelijke jaren uiteindelijk in de polaire atmosfeer terecht. En daar wordt de afbraak van ozon dan onder invloed van de stratosferische wolken erg versneld. Er is dus wel globaal een aantasting van de ozonlaag, maar die is nergens zo ingrijpend als in de poolgebieden, en dan vooral aan de Zuidpool.

 

Hoe kan het eigenlijk dat er in de equatoriale zone zo’n koude stratosferische laag is? Je zou toch denken dat door de invalshoek van de zonnestralen het daar warmer zou zijn?

 

Inderdaad, aan het aardoppervlak is dat ook effectief zo. Bij de atmosfeer is dat wel anders. Het gebied waar de troposfeer en de stratosfeer mekaar raken noemt men de tropopauze en die wordt gekenmerkt door de laagste temperaturen in de atmosfeer. Ten gevolge van onder meer de aardrotatie en het feit dat het aan de evenaar aan het oppervlak warmer is, ligt de tropopauze niet overal op dezelfde hoogte: gemiddeld ligt ze op 17 km boven de evenaar en 11 km boven de polen. Aangezien dit gebied boven de evenaar een heel stuk hoger ligt dan boven de

polen, kan de temperatuur daar hoger in de troposfeer verder blijven afnemen, hoewel ze dus wel van een hogere waarde bij het oppervlak start.

 

De atmosfeer van onze buurplaneet Mars is ook ongemeen boeiend studiemateriaal, maar het was in eerste instantie niet eenvoudig om daar veel over aan de weet te komen?

 

Dat klopt. Er waren eerst de gewone visuele telescoopwaarnemingen, met o.a. Christiaan Huygens, die als eerste iets van structuur op Mars heeft gezien, waarschijnlijk Syrtis Major, en William Herschel die een aantal veranderende vlekken meende te mogen interpreteren als wolken, terecht zo bleek later. In de 19^de eeuw lieten een aantal grote Marswaarnemers zoals Schiaparelli en Lowell zich door hun eigen enthousiasme meeslepen toen zij dachten kanalen te ontwaren op het Marsoppervlak. Nadien bleek het echter om een optische illusie te gaan zoals die andere grote Marswaarnemer Antoniadi onder meer ontdekte.

Na de Tweede Wereldoorlog is men begonnen met spectroscopische metingen, en zo heeft Gerard Kuiper in 1947 kunnen ontdekken dat koolstofdioxide het overheersende bestanddeel is van de Marsatmosfeer. Nadien werd er daar op dezelfde wijze daar ook zuurstof en waterdamp gedetecteerd. Ook de ruimtemissies die naar Mars werden gestuurd zoals een aantal Mariners en de Vikings ontdekten een aantal bestanddelen van de atmosfeer rond de Rode Planeet, bv. stikstof, maar men kwam geleidelijk tot het beeld van een al bij al vrij saaie atmosfeer.

I.v.m. Mars heeft men altijd ook wel gespeculeerd over de mogelijkheid dat er daar leven zou zijn. In de jaren 1960 ontwikkelde de Engelse wetenschapper James Lovelock – nadien bekend geworden o.w.v. zijn Gaia-hypothese die de Aarde voorstelt als een complex organisch systeem – die toen als spectroscopisch onderzoeker werkte voor de NASA het volgende idee. Als er op een planeet leven is, zouden er in de atmosfeer onmiskenbaar sporen moeten terug te vinden zijn van het daar aanwezige leven. Bij Venus en Mars wordt de atmosfeer duidelijk gedomineerd door koolstofdioxide, terwijl bij onze planeet stikstof en zuurstof overheersen. Heeft dat uitsluitend te maken met de aanwezigheid van leven op Aarde, en levert het meteen ook een bewijs dat er op Mars en Venus geen leven is?

 

Maar toen vervolgens de eerste sporen van methaan in de Marsatmosfeer ontdekt werden was dat wel spectaculair nieuws?

 

Dat is een merkwaardig verhaal dat eigenlijk al begint in 1988. De toenmalige Sovjet-Unie was toen bezig met een dubbele missie naar Mars. Phobos 1 was onderweg verloren gegaan, maar Phobos 2 kende aanvankelijk meer succes. Het ruimtetuig heeft enkele dagen rond Mars gecirkeld, maar toen het uiteindelijk zou gaan landen op het Marsmaantje Phobos is op het laatste moment alle contact verloren gegaan. Toch was dat geen compleet mislukte missie, want een van de instrumenten aan boord van Phobos 2 was een spectrometer waaraan ook het BIRA had meegewerkt, en dat toestel heeft een aantal chemische bestanddelen in de Marsatmosfeer opgemeten, waaronder formaldehyde. Dat is een organische molecule die ontstaat ten gevolge van de fotodissociatie van methaan. En dat was zonder meer superspectaculair nieuws. Maar het nieuws van die ontdekking werd meteen met veel scepsis onthaald, men veronderstelde dat er bij de meting per ongeluk een fout moet gebeurd zijn, en ook nu nog twijfelt men eraan dat die detectie echt was.

Het heeft dan tot in 2003 geduurd voor er opnieuw sprake was van methaan in de Marsatmosfeer. Twee afzonderlijke teams beweerden toen dat ze daar via telescoopwaarnemingen op Aarde sporen van methaan hebben aangetroffen. In die periode is ook de Europese ruimtesonde Mars Express in een baan rond Mars terecht gekomen. Aan boord was naast een instrument van het BIRA om ozon en waterdamp te meten ook een Italiaans instrument dat meer stoffen kon meten maar met een beperktere gevoeligheid. En ook zij claimen in 2003 methaan te hebben gemeten.

 

Ineens was er een overvloed aan meldingen van methaan?

 

Ja, maar absolute zekerheid dat de Marsatmosfeer wel degelijk methaan bevat is er niet. Het ene team met de telescoopwaarnemingen heeft eenmalig methaan ontdekt, maar kon die waarneming nadien niet bevestigen. De metingen van het andere team waren niet helemaal oké, zij hebben die dan tot in de kleinste details geanalyseerd. Pas na zes jaar oordeelden zij dat met honderd procent zekerheid kon gesteld worden dat de metingen toch correct waren, en hebben zij hun ontdekking van methaan in de Marsatmosfeer gepubliceerd. Maar intussen zijn er al onderzoekers die hun bevindingen toch betwisten. Wat betreft dat Italiaanse instrument PFS op Mars Express, als er methaan is verklaart dat perfect de metingen van PFS, maar de resolutie van die metingen is niet hoog genoeg om eenduidig te kunnen affirmeren dat er daar methaan aanwezig is.

Het grote en actuele debat i.v.m. het Marsonderzoek gaat over de vragen of er überhaupt methaan zit in de atmosfeer van Mars, en indien dat zo is, wat dat impliceert.  

 

Dus nu komt het erop aan om daarover zekerheid te krijgen?

 

Daarom hebben de NASA en de ESA twee jaar geleden besloten om samen een ruimtemissie naar Mars op te zetten, de ExoMars Trace Gas Orbiter, waarbij er instrumenten aan boord zijn waarvan de resolutie hoog genoeg is om met zekerheid te kunnen vaststellen of er in de atmosfeer van Mars methaan is of niet. Waarom Trace Gas Orbiter en niet Methane Orbiter? We vertalen ‘trace gas’ door spoorgas, en dan bedoelen we een gas dat minder dan één procent van de lokale atmosfeer uitmaakt. Stel dat de ruimtesonde geen enkel spoor van methaan kan vinden, dan zitten we daar met een methaanmissie zonder verder doel. Nu krijgen we een project met als objectief alle bestanddelen van de Marsatmosfeer te meten met een nauwkeurigheid die honderd tot duizend keer hoger is dan wat momenteel mogelijk is. Op die manier verhogen we meteen onze kennis van de Marsatmosfeer tot het niveau van wat we weten over de Aardatmosfeer, en dat is toch een fantastische verwezenlijking.

Van de vijf instrumenten waarmee de ExoMars Trace Gas Orbiter zal uitgerust zijn zullen er twee specifiek naar methaan speuren, en een van die spectrometers wordt hier op het BIRA ontwikkeld. Dat is NOMAD, een geüpdate en verbeterde versie van de spectrometer SOIR die het BIRA voor Venus Express ontworpen heeft. Dat instrument heeft zijn waarde al afdoende bewezen door in de atmosfeer van Venus allerlei bestanddelen te detecteren, o.a. stoffen die daar nog nooit eerder gemeten waren. Er zijn bij NOMAD nog een aantal buitenlandse instituten betrokken, maar de PI of hoofdonderzoeker is ook iemand van het BIRA, Ann-Carine Vandaele. Het zal trouwens de eerste keer zijn dat bij een ruimtemissie naar Mars die eer aan een Belgische onderzoeker te beurt valt. En misschien zijn wij wel het eerste team om zekerheid te krijgen of er daar wel of niet methaan aanwezig is. Maar de ExoMars wordt pas in 2016 gelanceerd, en ten vroegste in 2017 mogen we ons aan resultaten verwachten. Tussen nu en 2017 staan er nog een aantal Marsmissies op stapel, en ook al zijn die niet specifiek gericht op het ontdekken van methaan, toch zou het altijd kunnen dat zij op dat vlak een belangrijke ontdekking doen en dat de primeur niet voor ons is.

 

Een belangrijk gegeven in dit verband is zeker ook het feit dat methaangas vrij snel afgebroken wordt in de atmosfeer?

 

Juist. Als je via een kunstmatig procedé methaan in de Marsatmosfeer zou inbrengen, dan kan dat daar chemisch gezien onmogelijk blijven bestaan: na gemiddeld 300 jaar zal alle methaan afgebroken zijn.

Stel dat de metingen uit 2003 correct waren en er toen dus effectief methaan ontdekt is, wat betekent dat dan? Alleszins dat het minder dan 300 jaar geleden ergens gevormd is, anders was het al verdwenen. En dan kan men beginnen zoeken naar bronnen van methaan. Strikt wetenschappelijk genomen ligt het wel wat ingewikkelder dan wat ik nu beweer, maar 90% van het methaan in de aardatmosfeer wordt veroorzaakt door leven. Dat gegeven leidt dan meteen tot de idee van Lovelock uit de jaren 1960 dat als we methaan vinden er een grote kans op leven is. Hebben we in dat geval te maken met actief leven, of gaat het veeleer om uitgestorven leven dat nog altijd methaan uitwasemt? Denk aan de olie op Aarde die ook een bron is van methaan en het resultaat is van lang vergaan leven. Bovendien zijn de gemeten hoeveelheden methaan zo klein dat het alleszins niet kan gaan om heel grote populaties. En voorts moeten eventuele levensvormen op Mars zich onder het oppervlak bevinden, er is immers zo weinig ozon in de atmosfeer dat de uv-straling van de Zon vrijwel alle leven zou vernietigen.

Mogelijke bronnen van ingevoerd methaan zouden kometen kunnen zijn. Maar een komeetinslag op Mars de afgelopen 300 jaar lijkt weinig waarschijnlijk, want anders zou men daar toch iets moeten van gemerkt hebben.

Uit de metingen blijkt ook dat, als er werkelijk methaan is, dit zich niet gelijkmatig verspreid heeft over de atmosfeer, maar dat het een soort geïsoleerde plekken betreft. Men denkt aan lokale uitwasemingen. Aangezien men dat methaan opgemerkt heeft tijdens de lokale zomer zou het bv. kunnen dat de ondergrond van Mars die doorgaans bevroren is tijdelijk net warm genoeg is om wat poriën open te maken waarlangs het methaan kan ontsnappen, waarna alles terug dichtvriest.

Als ExoMars methaan zou vinden, zal dankzij de gevoeligheid van de instrumenten te achterhalen zijn of het veroorzaakt is door leven dan wel door geologische processen.

 

In juli 2009 kwam jij uitgebreid in het nieuws, Frank, i.v.m. de ontdekking dat er soms sneeuw valt op Mars. Kan je daar wat meer over vertellen?

 

Het ruimtetuig dat die ontdekking mogelijk heeft gemaakt is de Phoenix Mars Lander, een project van de NASA dat op 25 mei 2008 veilig neerkwam op de Marsbodem. Terwijl de toestellen die tot dan succesvol op Mars geland waren allemaal in het evenaarsgebied terecht waren gekomen, liet men de Phoenix landen op 68° noorderbreedte. Zo dicht bij de polen was men nog nooit geweest.

Tot enkele jaren geleden was het hoofddoel van elke missie naar Mars de zoektocht naar water, maar sinds de mogelijke ontdekking van methaan in de Marsatmosfeer is het nieuwe motto voor toekomstige Marsexploraties de zoektocht naar leven geworden. Phoenix hoort nog bij het zoeken naar water.

Dat de poolkappen op Mars voor een belangrijk deel uit waterijs bestaan was al langer geweten, maar nu kon Phoenix via een aantal experimenten ook aantonen dat er zich onder de roestbruine stoflaag een veel groter oppervlak van waterijs bevindt, 68° noorderbreedte is toch al even uit de buurt van de echte poolkap.

Phoenix was ook uitgerust met een weerstation dat de lokale temperatuur, luchtdruk, luchtvochtigheid en windsnelheid kon meten, maar daarnaast kon dat toestel dankzij een

lidar ook wolken ontdekken boven het oppervlak van Mars. Het letterwoord LIDAR staat voor LIght Detection And Ranging, en het instrument werkt als een soort radar. Men stuurt een krachtige laserstraal de lucht in en uit de terugkaatsing kan men achterhalen of er zich daar iets bevindt en kan men ook uitzoeken wat het precies is. De Phoenix lidar was ontwikkeld o.l.v. prof. Whiteway van de York University in Canada. Op Aarde gebruikt men deze technologie vaak voor atmosfeeranalyses, maar dit was de allereerste lidar op een andere planeet. Het toestel deed dag en nacht metingen, en zo kon het team van prof. Whiteway ontdekken dat er zich in de zomer en herfst op Mars op een hoogte van zo’n vier kilometer wolken vormen, en dit vooral gedurende de nacht.

 

En voor het onderzoek van die wolken kwamen de computermodellen die jij had ontwikkeld goed van pas?

 

Ik gebruikte een Deens model voor het analyseren van de stratosferische ijswolken in de aardatmosfeer, maar de meer bekende cirruswolken zijn eigenlijk heel vergelijkbaar. Ook cirruswolken bevinden zich op grote hoogte, dicht bij de tropopauze waar het met temperaturen van -60°C heel koud is, en ze bestaan eveneens uit waterijs. De parallel met de wolken die men in de Marsatmosfeer ontdekt heeft is overduidelijk: op basis van de geschatte temperaturen gaat het duidelijk om wolken van waterijs en niet koolzuurijs, de temperatuur is daar met ongeveer -65°C vergelijkbaar met de temperaturen waarbij cirruswolken zich op Aarde vormen. Op het BIRA waren wij in het kader van de SPICAM-missie op Mars Express bezig met het aanpassen van het model voor de wolken op Aarde om wolken op Mars te bestuderen. Prof. Whiteway van Phoenix heeft mij toen gecontacteerd met de vraag om daarmee de meetresultaten van de lidar te helpen verklaren. We konden vrij snel bevestigen dat het wel degelijk om wolken van waterijs gaat, we konden achterhalen hoe groot die ijskristallen zijn, en we ontdekten ook neerslagpatronen. En zo droegen wij bij tot de allereerste directe meting van neerslag op een andere planeet, dat te beseffen geeft wel een heel speciaal gevoel! Het bleek te gaan om ijskristallen van hoogstens een paar tienden van een millimeter groot, dat zijn dus niet echt grote sneeuwvlokken, maar een typische ijsneerslag op Aarde bestaat uit ijskristallen van die grootte. We zijn dus getuige van een gelijkaardig fenomeen op Mars dan op Aarde, alleen omdat de thermische structuur van de Marsatmosfeer anders is gebeurt het daar op 4 km hoogte, terwijl het fenomeen zich bij ons op 10 km hoogte of daaromtrent voordoet.

Deze bevindingen werden begin juli 2009 in Science gepubliceerd, en zo kwam dat verhaal dan ook bij ons in de pers terecht. We maakten gemakkelijkheidshalve van die ijsneerslag maar meteen sneeuw, omdat dikke sneeuwvlokken natuurlijk net ietsje spectaculairder zijn dan de kleinere ijskristallen die wij waargenomen hebben. Het fenomeen lijkt in werkelijkheid eerder op het zogenaamde “diamond dust”.

 

Alleszins hartelijke dank, Frank, voor het boeiende interview en nog veel succes met je verdere onderzoek.