Descubrimiento: escarcha de agua en la cima de los volcanes marcianos

Por Frédéric Schmidt (Profesor, geología de superficies planetarias, Universidad de París-Saclay) y Adomas Valantinas (Investigador Postdoctoral, Universidad de Brown)

La formación de escarcha de agua es muy común en la Tierra, especialmente durante el invierno, debido a la condensación del vapor de agua atmosférico. En Marte, hay una atmósfera, aproximadamente 100 veces menos densa que en la Tierra, que también contiene vapor de agua. Sin embargo, la atmósfera marciana contiene 10 000 veces menos vapor de agua que la terrestre, por lo tanto, la escarcha es menos probable.


Hoy en día, los intercambios de agua entre la superficie y la atmósfera no se entienden bien en el Planeta Rojo. Sin embargo, la formación de escarcha es un rastreador importante, útil para comprender el ciclo del agua, pero también para identificar recursos clave para una posible exploración humana futura y para determinar la potencial habitabilidad. De hecho, el agua es un recurso necesario para la vida, pero también podría ser utilizada como combustible para cohetes.

Viaje a la cima de los volcanes marcianos

Nuestro nuevo estudio, publicado hoy en Nature Geoscience, informa la existencia de depósitos importantes de escarcha matutina transitoria en la cima de los volcanes de una región llamada Tharsis (es decir, los volcanes Olympus, Arsia y Ascraeus Montes, y Ceraunius Tholus) utilizando imágenes en color de alta resolución de la sonda ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) de la Agencia Espacial Europea (ESA). Este descubrimiento ha sido confirmado mediante observaciones independientes realizadas por la sonda Mars Express de la ESA y por el espectrómetro NOMAD a bordo del TGO.

Además, simulaciones numéricas del clima marciano muestran que las temperaturas de la superficie de los volcanes son compatibles con la existencia de agua congelada. De hecho, los resultados demuestran que los depósitos de escarcha matutina están correlacionados con las estaciones más frías de Marte. Sí, existen estaciones en Marte como en la Tierra, pero con temperaturas mucho más bajas, entre -130 °C y -30 °C en las cimas marcianas. Además, los volcanes ecuatoriales reciben rápidamente una fuerte insolación solar, lo que explica la rápida desaparición de la escarcha por la mañana.


Todo comienza con la observación de zonas más claras y ligeramente azuladas en las cimas de los volcanes marcianos por la cámara CaSSIS. Después de una campaña de investigación de unos meses, estas extrañas zonas claras parecen estar presentes únicamente en las observaciones a primeras horas de la mañana y durante las estaciones frías de Marte. La cámara HRSC permitió confirmar estas observaciones, restaba encontrar el origen de este fenómeno.

En Marte, existen dos tipos de compuestos volátiles: el agua (H₂O) y el dióxido de carbono (CO₂). Estos dos compuestos pueden cambiar fácilmente de fase entre gas y sólido en las condiciones marcianas. Desafortunadamente, en su forma sólida, ambos aparecen como blancos o brillantes en el espectro de luz visible (observable también por nuestros ojos) del instrumento CaSSIS. Por lo tanto, es difícil distinguirlos con una simple imagen. Tuvimos que realizar una verdadera labor de investigación para poder diferenciarlos. Pudimos establecer dos argumentos principales, uno basado en la espectroscopía y el otro en la simulación numérica del microclima de los volcanes marcianos.

Gracias a la descomposición de los colores o longitudes de onda de la luz proveniente de la superficie, es posible distinguir H₂O y CO₂. Esta es la técnica de espectroscopía, posible gracias al instrumento NOMAD. Intentamos identificar estos dos compuestos en mediciones tomadas en condiciones extremas, temprano por la mañana, con poca luz solar. Como el instrumento está optimizado para observar directamente el sol, estas observaciones son difíciles y muy ruidosas. Los resultados no muestran ninguna firma de CO₂ y una posible firma de agua.

Sin embargo, en caso de presencia de CO₂ en una capa delgada, no se esperaría observar firmas espectrales. Este argumento no es definitivo. Los miembros belgas del equipo realizaron una simulación numérica del microclima de los volcanes de Marte. Se trata del mismo tipo de herramienta que prevé el clima en la Tierra, adaptada aquí para Marte. Las simulaciones concluyen que en el momento de la adquisición de las imágenes que muestran las zonas claras, las condiciones son propicias para la condensación del agua, pero no del CO₂. Estas dos pruebas combinadas permiten favorecer la hipótesis de la escarcha de agua.

Una fina capa de escarcha

Gracias a la información de los distintos instrumentos, pudimos estimar el grosor de esta capa de escarcha. Se trata de un espesor muy fino de unos 10 micrómetros (1 centésima de milímetro). Esta cantidad de escarcha está limitada por la cantidad de vapor de agua disponible en la atmósfera de Marte, que es del orden del micrón precipitable. A modo de comparación, en la Tierra, la cantidad de agua es del orden del centímetro precipitable, ¡10 000 veces más!

Como la condensación debe comenzar unas horas antes del amanecer, la circulación atmosférica ha permitido acumular agua de la atmósfera circundante. Dada la superficie cubierta por la escarcha, la cantidad total de agua está en el orden de 60 piscinas olímpicas. Si pudiéramos recolectarla, podría satisfacer las necesidades de agua de los astronautas durante varios años, pero a escala del planeta Marte, esta cantidad sigue siendo muy baja. Se estima que la cantidad de agua disponible en Marte, principalmente en forma de hielo en los casquetes polares, es de 1 000 mil millones de piscinas olímpicas, mientras que en la Tierra hay aproximadamente 100 veces más agua que en Marte.

Este descubrimiento de escarcha en las cimas más altas del Sistema Solar nos permitirá afinar nuestro entendimiento del ciclo actual del agua en Marte. De esta manera, será posible predecir mejor el clima en Marte, con vistas a una futura exploración, así como entender mejor el clima pasado de Marte y su potencial de habitabilidad.