Aktuel Naturvidenskab | 5 | 2000 4 MARSFORSKNING En vind som på - unikke forsøg i Århus

Hvad sker der, når det blæser på Mars? Hvilke partikler bliver flyttet af vinden, og hvad betyder det for en mission til Mars? Disse spørgsmål prøver danske forskere at besvare i øjeblikket.

Af Jørgen Dahlgaard efter interview med Jonathan Merrison

n Et af de vigtigste videnska- forskellige fra forholdene på belige mål for NASA er at for- Jorden, og i tanken skal udstyr stå og forklare livets opståen testes til brug for kommende og udvikling. Her er udforsk- missioner til Mars. ningen af planeten Mars ble- Prøvetanken kan pumpes vet en vigtig brik, og et cen- tom for atmosfærisk luft og fyl- tralt spørgsmål er, om der er des med luftarter, sådan at man eller har været liv på planeten. får en atmosfære, som er meget I år er der fremkommet stærke lig den på Mars. Hovedparten indicier for, at der findes vand af atmosfæren består af kuldio- på Mars den dag i dag. Dan- xid (95,3%) og kvælstof (2,7%) ske forskergrupper med fysi- samt argon (1,6%). Desuden er keren Jens Martin Knudsen der spor af ilt (0,15%) og vand- som primus motor er med i damp (0,03%). Alligevel ser denne udfordrende jagt på li- man enorme støvstorme med vets gåde. Danskerne arbejder store vindhastigheder i den IFA Jens Kjeldsen, Foto: med magneter, magnetisme, tynde atmosfære på Mars med Et kig ind i vindtunnelen med forsøgsområdet, hvor det røde lys fra jernmineralogi og den røde en varighed af op til flere måne- laser-doppleren kan anes. Tunnelens indre er farvet rød pga. støv. marsjord. der. Lektor Per Nørnberg kigger med. Vinden kan transportere Mars i kælderen store mængder af fint støv Et lille stykke Mars er skabt i rundt, og det kan være et pro- en kælder i Århus, hvor et Mars- blem for kommende missioner og en lang række af andre heder op til 7 m/s, men nor- laboratorium er opbygget i lø- til Mars. Det fine støv er en spørgsmål trænger sig på, og malt arbejder den med hastig- bet af de sidste to år. På flere vigtig miljøfaktor på Mars. Stø- derfor er det nødvendigt at lave heder på 0,5 – 2 m/s, som ud måder søger man her at simu- vet vil sætte sig på alle instru- forsøg, hvor man efterligner fra målingerne på Pathfinder- lere forholdene på overfladen af mentoverflader, hvilket kan forholdene på Mars. missionen i 1997 er et realistisk Mars i en stor prøvetank af ødelægge instumenterne pga. niveau. Vindtunnelen består af jern, som blandt andet rummer elektriske udladninger og me- Prøvetanken og et lukket rørsystem, hvor “luf- en lille vindtunnel. Her får man kaniske nedbrud. vindtunnelen ten” cirkulerer rundt ved hjælp mere at vide om de mulige for- Hvordan skal instrumenterne Marstanken i Århus er 3 meter af en ventilator (se figur). Støv hold på planeten, og især om konstrueres for at virke bedst lang samt 1 meter i diameter. og mineralprøver kommer ind i samspillet mellem marsatmo- muligt på den fremmede pla- Inde i den lufttætte tank er der forsøgstanken via et tyndt rør. sfæren og marsstøvet (mars- net, og hvordan undersøger placeret en lille vindtunnel, Det er en blanding af prøve og jorden). Forholdene er meget man det røde marsstøv? Disse som kan præstere vindhastig- gas, som man blæser ind i tun- Aktuel Naturvidenskab | 5 | 2000 5 MARSFORSKNING

Vindtunnelens forsøgsområde Tryk og turbulens

40

35 Ventilator Lufttæt tank 30 Skitse af prøvetanken med vindtunnelen inden i. 25 Tryk 1000 mbar 20 Tryk 100 mbar Tryk 15 mbar nelen. Prøvemængde, tryk, tensiv forskning i dag. Både 15

sammensætningen af atmosfæ- geologer og mikrobiologer ar- % Turbulens 10 ren og vindhastigheden kan va- bejder på flere projekter i den rieres umiddelbart, og det vil forbindelse, da der tilsynela- 5 snart også være muligt at styre dende, er tale om nogle spe- 0 temperaturen. cielle jordbundsprocesser i om- 0123456 Forskerne måler hastigheden rådet ved Salten. Det store jern- Vindhastighed (m/s) af de enkelte partikler i luft- indhold stammer sandsynligvis strømmen ved hjælp af et så- fra geologiske lag, som indehol- Måling af turbulens i vinden vha. laser-doppler-indtrumentet. Der er målt midt i tunnelen på en “støvprøve” ved forskellig tryk og vind- kaldt laser-doppler-anemometer. der mineralet pyrit (FeS2). Jern Instrumentet giver også et mål fra pyrit, der iltes i den øverste hastighed. Større tryk giver mere turbulens. Kilde: Merrison m.fl. for graden af turbulens i luft- del af grundvandszonen, holdes strømmen, hvilket har stor be- tydning for transporten af par- tiklerne. Ved lave vindhastig- heder og lavt tryk er der ikke Vind og vindtransport meget turbulens på trods af, at vindtunnelen ikke er ret stor. (Se også boksen). Der er mulig- hed for at placere forskellige forsøgsobjekter inde i selve vindtunnelen, og via observa- tionsvinduer kan man følge med i forsøgsudviklingen.

En jordprøve fra Mars, tak! I sagens natur har forskerne ikke ægte prøver fra Mars at arbejde med endnu, og de har derfor været nødt til at finde noget materiale, som ligner Skitse af et normalt vindprofil, som det kunne se ud på Mars, med laminær Strømning omkring en partikel mest muligt. Man mener, at strømning helt nede ved bunden og turbulent strømning længere oppe. ved laminær strømning, øverst og marsstøvet består af sammen- Omtegnet efter Kaj Sand Jensen. turbulent strømning nederst. satte partikler med en gennem- snitlig størrelse på ca. 1,5 mi- De fleste ved, at strømmende veksling af gas/væske mellem strømning er laminær (dvs. Re er krometer. Den røde farve stam- luft og vand kan flytte partikler. lagene (se figur). Ved turbulent lille) eller turbulent (dvs. Re er mer fra jernoxider, der indehol- Når partikler flyttes af et me- strømning optræder der hvirvler stor). Marsatmosfæren har et der det magnetiske jernmineral dium som f.eks. luft eller en væ- og dermed en betydelig udveks- ekstremt lille Reynoldstal og en maghemit (Fe O ). De magne- ske, er der en række størrelser, ling mellem lagene. Det er mere meget stor dynamisk viskositet. 2 3 som man kan regne på. Des- kompliceret at regne på den tur- Laminær-strømning forekommer tiske egenskaber passer fint på uden er der flere fysiske forhold bulente strømning. ved lavere vindhastigheder på dette stærkt magnetiske jern- og størrelser, som man skal Mars. l Mediets dynamiske viskositet er oxid, hvilket de danske magnet- have styr på, for at kunne regne evnen til at hænge/klæbe sam- l Friktion og dermed ruheden af rigtigt. Det handler om masse- forsøg på Mars Pathfinder var men og modstå deformering. Vis- den faste overflade. fylde, kræfter, friktion og med til at vise i 1997. kositeten beregnes som kraft hastighedsgradienter. l Størrelsen og densiteten af den Det har vist sig, at jord fra gange tid divideret med areal. partikel, som skal flyttes. l Vindhastigheden. Salten i Midtjylland tilsynela- l Afledt af de to første arbejder dende ligner marsstøvet meget. l Er der tale om laminær eller man med det såkaldte Reynolds- Hvis man regner på disse størrel- Den røde, stærkt jernholdige turbulent strømning? Ved tal (Re), som er det dimen- ser, når man f.eks. frem til, at den jord her blev opdaget ved en laminær strømming bevæger sionsløse forhold mellem bevæ- største kuglerunde partikel, som ren tilfældighed af fysikeren de enkelte “strømningslag” i gelseskræfternes inerti og den kan blæses rundt i luften ved Mars- Henrik Loft Nielsen, og dan- mediet sig velordnet afsted dynamiske viskositet. Populært tryk, er 16 µm i diameter ved en oven på hinanden uden ud- sagt, er tallet et index for, om en vindhastighed på 0,45 m/s. nelsesmåden er genstand for in- Aktuel Naturvidenskab | 5 | 2000 6 MARSFORSKNING

på opløst Fe2+-form i den redu- Vindtransport, adhæsion cerende del af grundvands- og kohæsion zonen. Hypotesen er, at mikro- Når der er tale om partikler, organismer spiller en væsentlig som flyttes i en atmosfære, er rolle i dannelsesforløbet af det der flere væsentlige fysiske for- kemiske sediment, hvor bakte- hold, som spiller en stor rolle. rier er med til at oxidere jernet. De små partikler op til ca. 2 Resultatet er, at jordprøver fra mikrometer har en tendens til Salten kan bruges som en er- klæbe til alle overflader – man statning for rigtige prøver fra taler om adhæsion. I vind- Mars i forbindelse med simu- tunnelen ses det ved, at det lationsforsøg. Jorden skal dog røde støv sætter sig overalt på behandles på forskellig måde, væggene. Desuden har de en- inden den kan bruges – den bli- kelte små partikler en tendens ver renset, og de større fraktio- til at klumpe sig sammen i

Foto: J. Dahlgaard Foto: ner bliver sigtes fra. større aggregater på grund af Her ses en elektrisk udladning under lavt tryk. Ofte opstår der en læn- Til forsøgene anvender man kohæsion – de enkelte molekyler gerevarende lysende sky i stedet for en gnist eller et lyn. Spændingen er også de rene mineraler i pulver- tiltrækker hinanden (som f.eks. kun ca. 400 V; men kan alligevel trække meget lange gnister (25 cm). form dvs. jernoxider såsom en i vanddråbe). Disse egenska-

hæmatit (Fe2O3), magnetit ber varier fra stof til stof. (Fe3O4 -– magnetjernsten) og Det har vist sig, at især jor- maghemit. Hæmatit er et meget den fra Salten har en tendens til svagt magnetisk mineral, mens at klumpe sig sammen i større de to andre er stærkt magnetiske. klumper eller aggregater (se Derfor må man forvente, at de foto), hvilket betyder meget for opfører sig forskelligt, og især er forsøgsresultaterne. De store ag- gode til at teste magnetopstil- gregater kan ikke holde sig svæ- linger og andre forsøg med. vende i “luften” og falder hur-

Sidste nyt om vand og hæmatit

Et mikroskopbillede af støv fra Salten, hvor man kan se, at partiklerne klumper sig sammen i større aggregater på grund af kohæsion. Det betyder meget for transporten med vinden. Foto: NASA/JPL/MSSS Foto:

Et af de nye billeder fra Mars taget af Mars Global Surveyor, som viser et udsnit af Holden Krateret med lagdelte sedimenter.

Billeder publiceret i Science i trykket på Mars og ved vind- december fremlægger overbevi- hastigheder omkring 1 m/s, sva- sende indikationer på, at der tidli- rende til dem der blev målt på gere har været vand i flydende Pathfindermissionen. form på Mars' overflade. Fundet Hæmatit, der ikke er videre mag- af ens tykke aflejringer over store netisk, sætter sig på magneteme afstande tyder på, at der er tale fra Pathfinder på samme måde, om sedimentpakker af vand- som man så på billederne af lande- aflejret materiale. (Kilde: Malin ren fra Mars, når eksperimenterne and Edgett 2000, Science 290, laves ved marstryk. Hvis det er 1927 - Se også kort nyt side 23). hæmatit, der blæser rundt på Mars, De seneste resultater af eks- er det en indikation mere på, at der Billede fra vindtunnelen med en serie af magneter med forskellig styrke perimenter i marstanken viser, at har været flydende vand på plane- svarende til opstillingen på Mars Pathfinder. Magneterne fanger det mineralet hæmatit som antagelig ten, fordi hæmatit må være dannet magnetiske støv i varierende mængder. Marsgruppen i København er er skyld i den røde farve på Mars ud fra en jernfase, som er udfældet på vej med en ny type, som skal med til Mars i år 2003. opfører sig helt anderledes ved fra vand. Aktuel Naturvidenskab | 5 | 2000 7

tigt ned på bunden af tunnelen. En del af forsøgene går ud på at finde ud af, hvor hurtigt støv- partiklerne aflejrer sig. Man er interesseret i at finde et tal for indholdet af partikler i ”luften” bl.a. til brug for test af magne- ter m.m. i stil med dem, der var med på Pahtfinder. Det er spørgsmål som: Hvor gode er magneterne til at opfange hvil- ke mineraler, og hvad betyder partikelstørrelsen og vindhastig- heden? Laser-doppler-anemo- meteret er her med til at give tal for antallet af partikler i ”luften”. Ved lave vind- hastigheder og lave tryk får man et simpelt matematisk ud- tryk (tilnærmet) for sammen- hængen mellem strømmen af partikler i ”luften” og mængden af tilført prøve (se boksen).

Mars-magneter i tunnelen Ligesom på Mars Pathfinder prøver man at opfange støvet ved hjælp af forskellige magne- ter (se fotos). På den måde si- muleres forholdene for at finde ud af, hvad der betyder noget for indfangningen af støvet. Umiddelbart har det været svært at eftergøre resultaterne fra Mars Pathfinder 100%. Dog er et af resultaterne, at selv me- get små læeffekter fra småting i nærheden af magneterne bety- der meget for evnen til at op- fange støvmaterialet. Hvis vin- den kun kommer fra én ret- ning, får man et skævt billede, hvis man begynder at tolke på resultaterne fra magnetfor- søgene. Desuden er det ikke sikkert, at de magnetiske egen- skaber af støvet fra Salten er helt sammenlignelige med Mars-støvets, så der skal selvføl- gelig være forskelle i resulta- terne. Forsøgene fortsætter nu med en nøjagtig kopi af en del af Foto: Jens Kjeldsen, IFA Jens Kjeldsen, Foto: Pathfinder med magnetopstil- lingen bl.a. for at kunne iagt- Jonathan Merrison kigger ned i vindtunnelen gennem ruden i toppen. Jerntanken er kørt til side. tage eventuelle læeffekter. Des- uden kommer nye forsøg, hvor tanken køles ned til Mars tem- Specielle elektriske ler og genstande kan oplades mod hinanden. Støv, der blæser peratur på -70°C og fyldes med fænomener på Mars elektrisk på forskellig måde som mod instrumenter m.m. på en marsatmosfære. Herudover Den tynde mars-atmosfære gi- f.eks. ved photo-ionisation som Mars, kan oplade disse så me- arbejdes der på en ny og bedre ver anledning til helt specielle følge af UV-lys og stråling fra get, at der kommer elektriske udformning af selve vindtun- elektriske fænomener både Solen. Der er også den såkaldte udladninger, som kan forstyrre nelen, sådan at vindforholdene mht. opladning, og også i for- tribo-elektriske-opladning, som målingerne og i værste fald øde- kan simuleres endnu bedre. bindelse med afladning. Partik- sker ved at genstande gnider lægge følsomme instrumenter. Aktuel Naturvidenskab | 5 | 2000 8 MARSFORSKNING

Deltagere i Mars-projektet

En række Institutter er involveret i Mars-projektet i Danmark: Geologisk Institut, Institut for Lagerrings-faciliteter, Institut for Fysik og Astronomi, alle tre Universitet. De har netop har fået forlænget bevillingen fra ESA-følgeforskningmidler. Desuden deltager H.C. Ørsted Laboratoriet, NBIfAFG, Køben- havns Universitet, som får midler fra SNF.

Desuden er Kemisk Inst. ved både Københavns Universitet og KVL IFA Jens Kjeldsen, Foto: involveret. Og ydermere DTU, Technische Universitët, München samt Jet-Propulsion Laboratory, Pasadena, California, USA. Nogle af Århus forskerne samlet foran Marstanken: Fra højre ses Per Nørnberg, Jonathan Merrison, Lone Mossin og Jan Nielsen.

Udladningerne har en tendens til elektriske udladninger. Stø- disse elektriske fænomer alle- Forfatter: til at vare i længere tid netop i vet fremmer i øvrigt gnist- rede på de næste missioner til Jørgen Dahlgaard det lave trykområde fra 5-9 dannelsen, har man erfaret. Mars, hvorfor alt udstyret skal Aktuel Naturvidenskab mbar – man får en hel lysende Gnister er også iagttaget på testes grundigt. Tlf.: 8942 5555 sky (se foto). Jo mere støv der marsudstyr i forbindelse med E-mail: [email protected] sætter sig på overfladerne, jo Pathfindermissionen. Det er Mössbauer-spektrometer mere udpræget bliver tendensen vigtigt at kunne tage højde for Et af de nye og mere spæn- Kontakadresser: dende instrumenter, som skal Erik Uggerhøj med allerede på NASA-mis- ISA (Institute for Storage sionerne til Mars i år 2003, er Ring Facilites - Aarhus) Mössbauer-spektrometeret, så eller Et nyt man har lidt travlt. Det er dr. Per Nørnberg Göstar Klingelhöfers gruppe på Geologisk Institut Darmstadt University of Tech- Ny Munkegade, Bygning 520 Planetcenter nology, som bygger instrumentet 8000 Århus C og forskerne i Marsgruppen på Tlf.: 8942 2899 på vej? Niels Bohr Instituttet skal være med til at kalibrere det. Et Dansk Planetcenter til styr- miljø, som kan bære forskningen Mössbauer-spektrometri er Mars Gruppen, kelse og samling af planet- og undervisningen på universite- en meget velegnet metode til at Ørsted Laboratoriet forskningen i Danmark, fore- terne videre i de kommende årtier. undersøge jernmineraler og giver Universitetsparken 5 slåes af astronomer, fysikere, Centeret skal beskæftige sig med: et meget præcist billede af både geofysikere, geologer og biolo- 2100 København Ø l Anvendelse af målinger og ob- ger fra Københavns Universi- mineralogien og de magnetiske Tlf.: 3532 0438 servationer til at modellere forhol- tet, Aarhus Universitet, Forsk- egenskaber. Metoden er ikke dene på og omkring planeter. ningscenter Risø, Dansk Rum- prøvet på en anden planet før, Hjemmesider: forskningsinstitut, National- l Overførelse af de videnskabe- men man har meget store for- Mars Gruppen, Kbh.: museet og Danmarks Tekni- lige metoder, hvormed forskerne ventninger til den. Derfor skal http://ntserv.fys.ku.dk/mars/ ske Universitet. har opnået international anerken- denne specielle minatureudgave Forskningen har hidtil i be- delse, fra terrestriske forsknings- Mars Gruppen, Århus: tydelig grad haft karakter af områder til planeterne. af Mössbauer-spektrometeret www.isa.au.dk/marsweb/ “niche-produktion” udført af testes grundigt i Marstanken. index.htm l Deltagelse i udforskningen af enkeltpersoner eller små grup- Danmark er for alvor ved at Den danske Marsside: planeter ved gennem nationalt og per fordelt på en række insti- internationalt samarbejde at ud- få en plads i den internationale www.marsnyt.dk tutter, og dette giver proble- vikle ideer og instrumenter til Mars-forskning. Marsgrupperne webportal til Mars- mer med den “kritiske masse” rummissioner. har fået et stort ansvar langt på udforskningsprogrammet: for de enkelte grupper. Oprettelsen af et egentligt l Fungere som et væsentligt deres skuldre med grundig test- http://mars.jpl.nasa.gov/ Dansk Planetcenter, vil styrke uddannelsessted for studerende ning af udstyr og simulering af De seneste billeder fra Mars: Danmarks mulighed for at del- både på kandidat- og ph.d.-niveau. miljøforholdene på Mars. Og i www.msss.com/ tage i international planet- sidste ende er de måske med til forskning på højt niveau, og Flere oplysninger på at besvare det store spørgsmål: Andet: samtidig skabe et frugtbart www.planetcenter.dk Er der, eller har der været liv på GeologiskNyt nr. 3-99 Mars? og Aktuel Naturvid. nr. 1-99.