Rastreando el cambio climático en Marte a través del hierro

Datos del artículo científico del que hablaremos en este astrobito: Título: Atmospheric oxidation drove climate change on Noachian Mars Autoría: Jiacheng Liu, Joseph R. Michalski, Zhicheng Wang, Wen-Sheng Gao Institución de la primer autor: Departamento de ciencias de la tierra y laboratorio de investigación espacial, Universidad de Hong Kong, Hong Kong, China Estado: Acceso abierto en Nature Communications

Marte, el planeta rojo, es hoy un mundo frío y árido, con temperaturas que varían mucho según la latitud, es decir qué tan al norte o al sur está un lugar desde el centro de Marte. Sin embargo, esto no siempre fue así. Diferentes modelos científicos sugieren que el Marte primitivo tenía un clima diferente, con temperaturas influenciadas más por la elevación de sus terrenos que por la latitud. Se han propuesto varias teorías para explicar este dramático cambio en el clima, incluidas reducciones en la concentración de ciertos gases atmosféricos, o cambios en la nubosidad. A pesar de estos esfuerzos, el proceso exacto que impulsa este cambio climático sigue sin estar claro. 

Un equipo de investigación de la Universidad de Hong Kong y la Universidad de Geociencias de China arrojó recientemente algo de luz sobre cómo ha evolucionado el clima de Marte. El astrobito de hoy profundiza en los hallazgos de este estudio que explora el papel de la abundancia de hierro (Fe) en la superficie de Marte, a través de sus períodos geológicos, como marcador del cambio climático.

Periodos geológicos en Marte

La historia geológica de Marte se divide en tres períodos principales (Figura 1): el Noeico (hace aproximadamente 4,1 a 3,7 mil millones de años), el Hespérico (hace 3,7 a 3 mil millones de años) y el Amazónico (hace 3 mil millones de años hasta el presente). Cada período refleja cambios significativos en la superficie y la atmósfera de Marte. El período Noeico vio una actividad volcánica sustancial que disminuyó durante los períodos Hespérico y Amazónico, donde la actividad geológica se estabilizó considerablemente.

 

Usando los datos recopilados por el espectrómetro de rayos gamma (GRS) de la misión espacial Mars Odyssey, el equipo detrás de este artículo estudió la abundancia de hierro (Fe) en la superficie de diferentes terrenos de Marte que datan de los períodos Noeico, Hespérico, y Amazónico. Sus resultados mostraron que los niveles de Fe en los terrenos Noeicos son relativamente bajos en comparación con los de los períodos Hespérico y Amazónico, que tienen niveles más altos de Fe en comparación, pero son similares entre sí. Este cambio en la abundancia de Fe sugiere que en la transición del periodo Neoico al Hespérico hubo un cambio en las condiciones climáticas de Marte que impulsó la acumulación de Fe en su superficie.

Distribución espacial del Fe en Marte

Con esta idea en mente, el equipo decidió estudiar los cambios en la distribución espacial del Fe en la superficie marciana a lo largo del periodo Noeico (Figura 2). Ellos encontraron que durante el Noeico temprano y medio (hace aproximadamente 4100 millones de años), había una mayor correlación entre la elevación del terreno y su abundancia de Fe. Las regiones elevadas de Marte exhibian una mayor abundancia de Fe, mientras que las elevaciones más bajas mostraban menores concentraciones. Por otro lado, durante el Noeico tardío e inicios del Hespérico (hace aproximadamente 3700 millones de años), la abundancia de Fe mostró una correlación más fuerte con la latitud, especialmente en el hemisferio sur, donde los terrenos que se encontraban más cercanos al polo sur de Marte mostraban una mayor abundancia de Fe, independiente de su altitud.

Estos hallazgos sugieren que esta variación en la distribución de Fe se debe a cambios en la temperatura de Marte. El contacto entre el Fe y el agua líquida impulsa una serie de reacciones químicas en las que el Fe en su forma elemental se agota para dar paso a la formación de diferentes sales y minerales. Así pues, a altas temperaturas, cuando el agua se descongela, la abundancia de Fe en la superficie disminuye considerablemente, mientras que su abundancia es mayor a menores temperaturas cuando el agua está congelada. Esto sugiere que durante el Noeico temprano, los terrenos elevados en Marte estaban siempre congelados, mientras que los terrenos bajos experimentaron ciclos de congelamiento y deshielo, agotando así la cantidad de Fe disponible.

Pero, ¿cómo explica esto que durante el Noeico temprano hubiese más Fe en los terrenos altos, pero a finales de este periodo el Fe se concentrará más en los polos? Pues el equipo sugiere que esto se debe a un cambio en la atmósfera marciana.

La atmósfera cambiante del Marte Noeico

Con el paso del tiempo, durante el periodo Noeico, la atmósfera de Marte se fue volviendo cada vez más delgada debido a una disminución en su actividad volcánica. Esto hizo que la abundancia de gases atmosféricos como el hidrógeno (H₂) disminuyera, pero la de otros gases como el dióxido de carbono (CO₂) aumentara. En términos químicos, este cambio se conoce como una transición de una atmósfera reductora a una oxidante.

Este cambio en la atmósfera marciana influyó considerablemente en cómo el calor se distribuía en Marte. Con una atmósfera reductora, la temperatura estaba influenciada mayoritariamente por la elevación. Sin embargo, con la oxidación de la atmósfera, la temperatura se comenzó a ver más influenciada por la latitud. Es decir, el Marte Noeico pasó de ser más frío en terrenos elevados a ser más frío en los polos. Esto causó un desplazamiento del hielo de las altas regiones a los polos, dando paso a un constante deshielo que, finalmente, alteró las concentraciones de Fe en las regiones altas de Marte.

Así pues, durante el Noeico temprano, Marte gozaba de una atmósfera reductora que fomentaba la acumulación de Fe en sus regiones altas por sus bajas temperaturas. Sin embargo, con la disminución de su actividad volcánica y consecuente oxidación de su atmósfera, las regiones altas en Marte se calentaron, exponiendo el Fe a la merced del agua líquida, causando su agotamiento. Es por esto que, durante el Noeico medio y tardío, la concentración de Fe en la superficie marciana aumenta con la latitud y no con la elevación del terreno (Figura 2).

El hierro como marcador climático

El análisis de la abundancia de Fe en Marte proporciona información crucial sobre la historia climática del planeta, revelando que la oxidación de su atmósfera jugó un papel importante en el impulso de su cambio climático. Esto ayuda a explicar por qué las concentraciones de Fe son más altas en los periodos Hespérico y Amazónico que el Noeico: desde la transición del Noético al Hespérico, no ha habido otro cambio climático significativo que altere las condiciones marcianas.

Es fascinante aprender que sólo con analizar la concentración de un elemento (el Fe en este caso) en un planeta a millones de kilómetros de distancia, podemos inferir cambios en el clima y la composición atmosférica en ese planeta a lo largo del tiempo. Estos conocimientos no sólo mejoran nuestra comprensión de Marte, revelando la compleja historia de nuestro planeta vecino, sino que también ofrecen lecciones valiosas para estudiar el cambio climático en otros planetas, incluida la Tierra.