Hace mucho que no escribo alguna entrada sobre Marte y voy a aprovechar la publicación de un artículo de unos compañeros de trabajo para cambiar esto. El artículo es liderado por Gabriella Gilli, y participan Francisco González-Galindo, Miguel Ángel López-Valverde y Adrián Brines del Instituto de Astrofísica de Andalucía.

¡Marte! Siempre lo vemos como un desierto frío y polvoriento, ¿verdad? Pues la verdad es que, si viajáramos millones de años atrás en el tiempo, nos toparíamos con un planeta muy distinto. Un Marte donde el agua líquida fluía, ¡sip! Tenemos un montón de pruebas geológicas, como redes de valles y canales de desbordamiento, que nos gritan en silencio que allí hubo una vez grandes volúmenes de agua. Pero entonces, ¿qué le pasó a toda esa agua? Es una de las grandes preguntas que la ciencia se trae entre manos, y que nos quita el sueño a los astrofísicos.

La historia de Marte

Durante mucho tiempo hemos pensado que una gran parte de esa agua marciana se perdió muy temprano en su historia, pero los mecanismos exactos y cuánto se esfumó al espacio o quedó congelada en la corteza siguen siendo un enigma con muchas piezas por encajar. El “culpable” principal de esta pérdida, al menos en los últimos miles de millones de años, es lo que llamamos el escape térmico, o escape de Jeans, del hidrógeno atómico. Imagina que las moléculas de agua en la atmósfera de Marte son como pequeños cohetes. Algunas de ellas, las más “enérgicas” o “veloces”, pueden alcanzar la velocidad de escape y listo, se escapan para siempre al espacio. Cuando el agua se disocia en la atmósfera superior, el hidrógeno, siendo el elemento más ligero, es el primero en salir disparado.

El dilema del agua perdida: ¿Escapa demasiado lento?

El problema es que las tasas de escape de hidrógeno que observamos hoy en día en Marte, aunque varían con la estación (gracias a misiones como MAVEN, Mars Express o el Telescopio Espacial Hubble, que nos dan datos impresionantes), simplemente no cuadran. No son lo suficientemente altas como para explicar la inmensa cantidad de agua líquida que sabemos que existió en el Marte hace millones de años. Piensa en ello como un grifo que gotea. Si las gotas que vemos hoy son tan pocas, ¿cómo pudo vaciarse la bañera en el pasado si no goteaba mucho más rápido?

En la última década, ha surgido una nueva idea, un “nuevo paradigma”, como lo llaman en el artículo de mis colegas. Se cree que la intrusión directa de vapor de agua a las capas superiores de la atmósfera es el principal motor del escape de hidrógeno, en lugar de un transporte lento de hidrógeno molecular. Esta visión más fresca (chistecito) considera que lo que ocurre en las capas bajas de la atmósfera, digamos en la “planta baja” marciana, tiene un impacto directo y muy fuerte en cómo el agua llega a las “plantas altas” y se escapa.

¡Y aquí entran en juego esas famosas y espectaculares tormentas de polvo marcianas! Se ha observado que, durante estas tormentas, el vapor de agua es transportado directamente a la atmósfera superior. Es como si el polvo actuara de ascensor para el agua. Esto ha dejado muy claro que las tormentas de polvo son un factor crucial para que el agua llegue hasta la mesosfera y, por ende, el hidrógeno pueda escapar más fácilmente.

Marte, el planeta “tambaleante” y el enigma de su inclinación

Ahora, preparate para un concepto que, si no estás familiarizado con él, te va a volar la cabeza: la oblicuidad. ¿Qué es eso? Pues es la inclinación del eje de rotación de un planeta con respecto a su plano orbital. En términos más sencillos, imagina que la Tierra es como una peonza, un trompo, que gira con una cierta inclinación. Esa inclinación es su oblicuidad. En la Tierra, esta inclinación apenas varía, un poquito más o menos de 23,5 grados. Es bastante estable, y eso gracias a la Luna ¡y es una de las razones por las que disfrutamos de nuestras estaciones de forma tan predecible!

Pero Marte es un caso aparte, ¡un planeta “tambaleante”! A lo largo de los últimos 250 millones de años, la inclinación de su eje ha oscilado con locura, desde 0 hasta 66 grados. ¡Casi como si se pusiera de lado! Su oblicuidad promedio en los últimos millones de años ha sido de unos 35 grados, bastante más inclinada que la actual (que es de unos 25,2 grados). ¿Y esto qué implica? Pues que estas variaciones tan drásticas en la inclinación del eje marciano han provocado cambios gigantescos en su clima. Afectan al ciclo del CO2 (y, por tanto, a la presión atmosférica), al ciclo del polvo y del agua, y a la circulación global de la atmósfera. Es como si cada vez que el eje se inclina un poco más, el planeta se transformara.

Hasta ahora, la mayoría de los estudios teóricos se habían centrado en cómo estos cambios de oblicuidad afectaban a las capas bajas de la atmósfera marciana. Sin embargo, lo que no habíamos logrado cuantificar con precisión era cómo estos cambios en la oblicuidad impactaban directamente en la tasa de escape de hidrógeno. ¡Y aquí es donde este nuevo estudio da un golpe sobre la mesa! Bien ahí por los compañeros!!!.

Desvelando el secreto con un supermodelo climático

Para desentrañar este misterio, los compis han utilizado una versión mejorada de un modelo tridimensional llamado Mars-Planetary Climate Model (Mars-PCM). Piensa en este modelo como un laboratorio virtual gigantesco que simula la atmósfera y la ionosfera marcianas, desde la superficie hasta las capas más externas, donde los átomos de hidrógeno dicen “adiós” al planeta.
Este modelo es una joya de la ingeniería computacional y ha sido mejorado con dos características muy importantes: un modelo sofisticado para la formación de nubes de hielo de agua (¡imprescindible para entender el ciclo del agua!) y un conjunto más amplio de reacciones fotoquímicas. Estas mejoras han permitido que el Mars-PCM sea mucho más preciso. De hecho, las simulaciones con el modelo mejorado se ajustan muchísimo mejor a las observaciones reales que tenemos de la atmósfera marciana. ¡Es una alegría ver cómo la teoría y la observación se dan la mano!

¡Sorpresa! La oblicuidad lo cambia todo

Y aquí viene lo más emocionante de la investigación: los resultados. Cuando simularon escenarios con una oblicuidad más alta, por ejemplo, 30 y 35 grados (recordemos que 35 grados es el valor promedio de los últimos 20 millones de años ), encontraron algo asombroso. La pérdida de hidrógeno es increíblemente sensible a estos cambios en la oblicuidad de Marte.
Para que te hagas una idea, la tasa de escape de hidrógeno, integrada anualmente, ¡se multiplicaba por 18 cuando la oblicuidad estaba en 35 grados en comparación con la actual! El valor máximo del flujo de escape global de hidrógeno, es decir, el pico de escape en un año dado, pasó de ser de unos 8.92 x 10^26 átomos por segundo con la oblicuidad actual, a la friolera de ¡1.17 x 10^28 átomos por segundo con la oblicuidad de 35 grados! Esto es como si, de repente, ese goteo del grifo que mencionábamos antes se convirtiera en un chorro potente.

Sus resultados son claros: una pérdida sustancial de hidrógeno pudo haber ocurrido en el pasado, precisamente cuando la oblicuidad de Marte era mayor que la de hoy.

¿Por qué se escapa más hidrógeno cuando Marte se inclina?

¿por qué ocurre esto? ¿Qué procesos se activan con una mayor oblicuidad que aceleran el escape de hidrógeno? Es una pregunta crucial, y el estudio nos da algunas pistas muy valiosas.
Cuando la oblicuidad de Marte aumenta, la forma en que el agua se mueve por el planeta cambia drásticamente. En las condiciones actuales, el hielo de agua se sublima (pasa de sólido a gas directamente) en verano y luego regresa a los casquetes polares en invierno. Sin embargo, con una mayor inclinación del eje, la insolación (la cantidad de luz solar que recibe) en el polo norte aumenta significativamente. Esto provoca una sublimación de hielo polar mucho más intensa, lo que se traduce en un ciclo del agua mucho más activo y, por ende, en una mayor cantidad de agua en la atmósfera.

Y aquí viene otro detalle fascinante: la formación de nubes. Con una atmósfera más húmeda, se forman nubes de hielo de agua más densas y gruesas. Estas nubes, la verdad es que, actúan como pequeñas mantas, calentando la atmósfera al absorber tanto la radiación solar como la radiación infrarroja que emite la superficie. ¡Es un efecto de retroalimentación positiva! Una atmósfera más cálida puede contener más vapor de agua antes de saturarse, lo que permite la formación de nubes aún más gruesas, ¡y vuelta a empezar el ciclo!
Las simulaciones de este estudio revelan que en la atmósfera media de Marte (a unos 45 km de altitud), las temperaturas podrían haber aumentado hasta 40 Kelvin en latitudes bajas y medias, e incluso hasta 110 Kelvin en la región polar norte, durante los periodos de alta oblicuidad. Este aumento de temperatura (y de la abundancia de agua) en esas capas es especialmente notable durante la primera mitad del año, gracias a ese calentamiento intenso que producen las nubes de hielo de agua.

En definitiva, estas condiciones (mayor temperatura y más agua en la atmósfera media) favorecen enormemente que el agua penetre hasta la mesosfera. Una vez allí, se descompone, y el hidrógeno atómico se vuelve más abundante en la exobase (la capa más externa de la atmósfera), ¡listo para escapar al espacio!

El rompecabezas se va armando: ¿cuánta agua perdió Marte?

Los resultados de este estudio son realmente importantes porque nos ayudan a cerrar la brecha entre las estimaciones actuales de pérdida de agua y la cantidad de agua que los geólogos creen que existió en el Marte primitivo.
Si asumimos que las tasas de escape de hidrógeno que observamos hoy en día fueran representativas de toda la historia marciana, la cantidad acumulada de agua perdida en los últimos 4 mil millones de años sería de unos 4,26 metros de GEL (capa equivalente global). Esto es como si repartiéramos todo el agua perdida uniformemente por la superficie de Marte, ¡una capa de poco más de 4 metros! Pero la verdad es que esto es mucho, mucho menos que los 100 a 1.500 metros de GEL que se estiman necesarios para formar los canales de flujo y redes de valles que vemos en Marte.
Sin embargo, las simulaciones con una oblicuidad de 35 grados nos dan una cifra mucho más impresionante: ¡79 metros de GEL! Esto, aunque aún está en el límite inferior de las estimaciones geológicas, es un salto cualitativo enorme y sugiere que el escape atmosférico ha tenido un papel mucho más relevante en el secado de Marte de lo que pensábamos.

Un paso adelante, pero con cautela

Como en toda investigación científica, es importante recordar que este estudio se centra en un aspecto muy específico: el efecto de la mayor oblicuidad en el ciclo del agua y el escape de hidrógeno. Se han dejado de lado otros efectos atmosféricos que también podrían influir, como los cambios en la presión atmosférica o la composición de la atmósfera, que operan en escalas de tiempo mucho más largas y son muy difíciles de simular con los modelos actuales. Además, no se ha simulado cómo la mayor oblicuidad podría haber afectado a la cantidad de polvo en la atmósfera, un factor importante que también influye en la pérdida de agua. Y la verdad es que también hay que tener en cuenta un mecanismo de retroalimentación química entre el escape de hidrógeno y oxígeno que, a largo plazo, podría disminuir la tasa de escape de hidrógeno. Sin embargo, como los cambios en la oblicuidad ocurren en escalas de tiempo más rápidas que este mecanismo de retroalimentación, el efecto general es que se sigue perdiendo más agua.

Aun con estas limitaciones, y es que toda investigación tiene sus fronteras, este estudio nos ofrece una primera aproximación de vital importancia para entender la evolución del agua en Marte. Nos sugiere que la historia del agua en Marte es mucho más compleja y dinámica de lo que imaginábamos, con periodos en los que el escape de hidrógeno fue muchísimo más intenso de lo que vemos hoy. Es como si estuviéramos desvelando, poco a poco, el verdadero destino de ese océano o esos lagos que una vez pudieron cubrir el Planeta Rojo. Y, sin duda, cada nueva pieza que encaja nos acerca un poquito más a comprender nuestro lugar en el sistema solar y la asombrosa historia, asombrosa astronomía, de los planetas.