Ατμόσφαιρα του Άρη

Παρατηρήσεις και μετρήσεις από τη Γη

Το 1864, ο Γουίλιαμ Ρούτερ Ντόους παρατήρησε "ότι η ροδοκόκκινη απόχρωση του πλανήτη δεν οφείλεται σε ιδιαιτερότητα της ατμόσφαιρας εφόσον η ερυθρότητα είναι εντονότερη κοντά στο κέντρο, όπου η ατμόσφαιρα είναι αραιότερη." Φασματοσκοπικές παρατηρήσεις της περιόδου 1860 -1870 δεν απέκλειαν την πιθανότητα η ατμόσφαιρα του Άρη να είναι παρόμοια με της Γης. Το 1894, όμως, με φασματική ανάλυση και άλλες ποιοτικές παρατηρήσεις του Γουίλιαμ Γουάλας Κάμπελ δείχθηκε ότι ο Άρης μοιάζει με το Φεγγάρι, που δεν έχει σημαντική ατμόσφαιρα.
Το 1926, οι φωτογραφικές παρατηρήσεις του Γουίλιαμ Χάμοντ Ράιτ από το Αστεροσκοπείο Λικ επέτρεψαν στον Χάουαρντ Ντόναλντ Μένζελ να βρεί ποσοτικές αποδείξεις για την Αρειανή ατμόσφαιρα .

Διοξείδιο του άνθρακα

Η Αρειανή ατμόσφαιρα αποτελείται κατά 95,9% από διοξείδιο του άνθρακα (CO₂). Έκαστος πόλος είναι σκοτεινός κατά τη διάρκεια του ημισφαιρικού χειμώνα του, και η επιφάνεια ψύχεται τόσο που το 25% του ατμοσφαιρικού CO₂ συμπυκνώνεται στα πολικά καλύμματα προς πάγο CO₂ (ξηρός πάγος). Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού που ο πόλος φωτίζεται από τον ήλιο, ο πάγος CO₂ εξαχνώνεται προς την ατμόσφαιρα. Αυτή η διαδικασία οδηγεί σε σημαντική ετήσια μεταβολή στην ατμοσφαιρική πίεση και την σύσταση της ατμόσφαιρας γύρω από τους Αρειανούς πόλους.

Αργό

Η Αρειανή ατμόσφαιρα περιέχει ποσότητες από το ευγενές αέριο αργό, που δεν μετατρέπεται σε πάγο και ως εκ τούτου, η ολική ποσότητά του στην ατμόσφαιρα του πλανήτη παραμένει σταθερή. Υπάρχουν τοπικές και εποχιακές διακυμάνσεις στη σχετική συγκέντρωση του Αργού προς το διοξείδιο του άνθρακα, για παράδειγμα το φθινόπωρο αυξάνεται πάνω από το νότιο πόλο και διαχέεται κατά την επερχόμενη άνοιξη.

Νερό

Κατά το καλοκαίρι που το διοξείδιο του άνθρακα εξαχνώνεται προς την ατμόσφαιρα, αφήνει ίχνη από νερό. Οι εποχιακοί άνεμοι που μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες χώματος και υδρατμών δημιουργούν παγετούς και μεγάλους θύσανους όμοιων με της Γης, και φωτογραφήθηκαν από το ρόβερ Ευκαιρία το 2004. Την 31 Ιουλίου 2008 οι επιστήμονες του NASA που εργάζονται στην αποστολή Φοίνιξ επιβεβαίωσαν ότι βρέθηκαν υπόγεια ύδατα στην περιοχή του Αρειανού βόρειου πόλου.

Το μεθάνιο

Ίχνη μεθανίου (CH₄)  εντοπίστηκαν για πρώτη φορά στην Αρειανή ατμόσφαιρα από μια ομάδα του NASA στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Γκόνταρντ το 2003. Το Μάρτιο 2004 το όρμπιτερ Άρης Εξπρές και επίγειες παρατηρήσεις τριών ομάδων έδειξαν ότι η παρουσία του μεθανίου στην ατμόσφαιρα ανέρχεται σε περιεκτικότητα 10 ppb (μέρη ανά δισεκατομμύριο). Οι μετρήσεις της περιόδου 2003 - 2006 έδειξαν τοπική και εποχιακή διακύμανση στην ατμοσφαιρική περιεκτικότητα μεθανίου.
Το μεθάνιο θα καταστρεφόταν ταχέως από την υπεριώδη ακτινοβολία και τις χημικές αντιδράσεις με άλλα αέρια, άρα η παρουσία του στην ατμόσφαιρα ίσως οφείλεται σε αειφόρο πηγή. Τα φωτοχημικά πρότυπα μόνα τους δεν εξηγούν την μεταβλητότητα στα επίπεδα μεθανίου. Προτάθηκε ότι το μεθάνιο ίσως αναπληρώνεται από τους μετεωρίτες που εισέρχονται στην ατμόσφαιρά του, αλλά οι ερευνητές του Ιμπίριαλ Κόλετζ του Λονδίνου έδειξαν ότι η εισροή μεθανίου με αυτόν τον τρόπο θα ήταν ανεπαρκής.
Η καταστροφή του μεθανίου θα διαρκούσε 0,6 ~4 γήινα χρόνια, κατά τα οποία το μεθάνιο θα διαχεόταν στην ατμόσφαιρα παντού στον πλανήτη. Η διάρκεια ζωής μεθανίου που καταστρέφεται αποκλειστικά από υπεριώδη ακτινοβολία θα ήταν ~350 χρόνια, και εφόσον εξαφανίζεται ταχύτερα  ("καταβόθρα") σημαίνει ότι υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που συνεργούν, και μάλιστα είναι κατά 100 με 600 φορές αποτελεσματικότεροι από την ακτινοβολία. Ταχεία καταστροφή σημαίνει εξίσου ενεργή αειφόρο πηγή. Το 2014 συμπέραναν ότι οι μεγάλες καταβόθρες μεθανίου δεν υπόκεινται σε ατμοσφαιρική οξείδωση. Ίσως το μεθάνιο δεν καταναλώνεται, και απλά συμπυκνώνεται και εξαχνώνεται εποχιακά από κλαθρικά. Ή ίσως το μεθάνιο αντιδρά με τον χαλαζία (SiO
₂) του χώματος και ολιβίνη προς σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών Si–CH
₃.
Το Αρειανό μεθάνιο ίσως προέρχεται από  μη-βιολογικές διεργασίες, όπως αλληλεπιδράσεις νερού-βράχων, ραδιόλυση του νερού, και σχηματισμό σιδηροπυρίτη, που παράγουν H₂ , που θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για σύνθεση μεθανίου και άλλων υδρογονανθράκων μέσω σύνθεσης Fischer–Tropsch με CO και CO₂. Επίσης, αποδείχθηκε ότι το μεθάνιο θα μπορούσε να παραχθεί με μια διαδικασία που περιλαμβάνει νερό, διοξείδιο του άνθρακα, και το ορυκτό ολιβίνη που είναι κοινό στον Άρη. Οι συνθήκες που απαιτούνται για την αντίδραση (δηλ. υψηλή θερμοκρασία και πίεση) δεν υπάρχουν στην επιφάνεια, αλλά ίσως υπάρχουν στο φλοιό. Ο σερπεντινίτης είναι παραπροϊόν της αντίδρασής του και ανίχνευση του ορυκτού σημαίνει ότι διενεργείται η αντίδραση. Σε αναλογία με τη Γη, υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής σε χαμηλές θερμοκρασίες και εκπνοής του μεθανίου από σερπεντινοποιημένους βράχους στον Άρη. Εναλλακτικά, ίσως το αρχαίο μεθάνιο παγιδεύτηκε σε ενυδατωμένους κρύσταλλους από τους οποίους απελευθερώνεται σταδιακά. Με την προϋπόθεση ότι το πρώιμο Αρειανό περιβάλλον ήταν κρύο, μία κρυόσφαιρα θα παγίδευε το μεθάνιο των κλαθρικών σε σταθερή μορφή στο βάθος, από όπου θα απεδεσμευόταν σταδιακά.
Με πειράματα σε συνθετική Αρειανή ατμόσφαιρα βρέθηκε ότι κατά την αλληλεπίδραση ηλεκτρικού φορτίου με παγωμένο νερό ίσως προκύψουν εκροές μεθανίου. Μια πιθανή πηγή ηλεκτρικών φορτίων είναι τα ηλεκτρισμένα σωματίδια σκόνης από τις αμμοθύελες και τους ανεμοστρόβιλους, ενώ πάγος υπάρχει σε τάφρους ή στο μόνιμο στρώμα του πάγου. Η ηλεκτρική εκκένωση ιονίζει το αέριο CO₂ και τα μόρια νερού και τα υποπροϊόντα της αντίδρασης συνδυάζονται προς παραγωγή μεθανίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι παλλόμενες ηλεκτρικές εκκενώσεες πάνω σε δείγματα πάγου στην Αρειανή ατμόσφαιρα παράγουν περίπου 1.41×10¹⁶ μόρια μεθανίου ανά joule εφαρμοσμένης ενέργειας.
Μία πιθανή πηγή μεθανίου θα ήταν μικροοργανισμοί, όπως τα μεθανογόνα, αλλά δεν υπάρχουν αποδείξεις για την παρουσία των οργανισμών αυτών στον Άρη. Στους Γήινους ωκεανούς η βιολογική παραγωγή μεθανίου συνοδεύεται από αιθάνιο, ενώ το ηφαιστειακό μεθάνιο συνοδεύεται από διοξείδιο του θείου. Εφόσον δε βρέθηκαν ίχνη από διοξείδιο του θείου στην αρειανή ατμόσφαιρα είναι απίθανο η προέλευση του μεθανίου να είναι ηφαιστειακή δραστηριότητα.
Το 2011 με επίγεια φασματοσκοπία υπερύθρου υψηλής ανάλυσης για ίχνη ειδών (όπως μεθάνιο) στον Άρη, επιτεύχθηκαν ανώτατα όρια ευαισθησίας: μεθάνιο (<7 ppbv), αιθάνιο (<0.2 ppbv), μεθανόλη (<19 ppbv) και άλλα (H₂CO, C₂H₂, C₂H₄, N₂O, NH₃, HCN, CH₃Cl, HCl, HO₂ – όλα τα όρια σε ppbv επίπεδα).
Τα δεδομένα αποκτήθηκαν σε 6ετή περίοδο από διαφορετικές εποχές και τοποθεσίες του Άρη, που σημαίνει ότι αν υπάρχουν οργανικές ουσίες στην ατμόσφαιρα θα ήταν σπάνια ή αμελητέα.
Τον Αύγουστο 2012 το ρόβερ Περιέργεια προσεδαφίστηκε στον Άρη. Διαθέτει υπεραναλυτικά όργανα για ακριβείς μετρήσεις, όπως για διάκριση μεταξύ των διαφόρων ισοτοπολόγων μεθανίου. Το 2012, οι πρώτες μετρήσεις με το Ρυθμιζόμενο Φασματοφωτόμετρο Λέιζερ (TLS) έδειξαν ότι η παρουσία μεθανίου στο χώρο προσγείωσης ήταν 0 - 5 ppb, και αργότερα υπολογίστηκε μία βασική γραμμή 0,3 - 0,7 ppb. Το 2013 δεν βρέθηκε μεθάνιο πέρα από τη βασική γραμμή.  Το 2014 ανιχνεύθηκε δεκαπλάσια αύξηση ('οξεία') στο ατμοσφαιρικό μεθάνιο κάποια στιγμή την περίοδο 2013 - 2014. Τέσσερις μετρήσεις έδειξαν κατά μέσο όρο 7.2 ppb, που σημαίνει παρουσία άγνωστης πηγής μεθανίου στον Άρη.
Η αναλογία επιπέδων υδρογόνου/μεθανίου στον Άρη είναι δείκτης της πιθανότητας ζωής στον Άρη. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, "...χαμηλοί λόγοι H₂/CH₄  (λιγότερο από 40) σημαίνουν παρουσία ενεργητικής ζωής."
Την 7 Ιουνίου 2018, το NASA ανακοίνωσε περιοδική εποχιακή μεταβολή στο ατμοσφαιρικό μεθάνιο.

Διοξείδιο του θείου

Το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του θείου θεωρείται δείκτης της τρέχουσας ηφαιστειακής δραστηριότητας. Είναι θέμα ενδιαφέροντος στις συζητήσεις για το Αρειανό μεθάνιο, που αν παραγόταν από ηφαίστεια (όπως γίνεται εν μέρει στη Γη) θα έπρεπε να βρίσκονται και μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του θείου. Κατόπιν αναζητήσεων με Τηλεσκόπιο Υπερύθρου δε βρέθηκε διοξείδιο του θείου στον Άρη, αλλά προσδιορίστηκε το αυστηρά ανώτατο όριο για την ατμοσφαιρική συγκέντρωση ίσο με 0,2 ppb. Τον Μάρτιο 2013 βρέθηκαν ίχνη διοξειδίου σε δείγματα εδάφους από το Ρόκνεστ Άρη που αναλύθηκαν από το ρόβερ Περιέργεια.

Οξυγόνο

Το 2016 το Στρατοσφαιρικό Αστεροσκοπείο για Υπέρυθρη Αστρονομία (SOFIA) ανίχνευσε ατομικό οξυγόνο στην ατμόσφαιρα του Άρη, για πρώτη φορά σε σαράντα χρόνια.