Hoe is het weer op Mars? Afgezien van de voor de hand liggende – het is meestal behoorlijk koud – blijkt deze vraag lastig te beantwoorden. Voor het ontwikkelen van een gedetailleerd begrip van de atmosferische dynamiek van Mars zijn gegevens nodig over de turbulentie die het weer op de planeet aandrijft; gegevens waarvoor de verschillende landers die het oppervlak van Mars in de loop der jaren hebben bezocht geen instrumenten nodig hadden om te verzamelen. Er werd echter een nieuw artikel gepubliceerd op 13 augustus in Publicatieblad van de Acoustical Society of America beschrijft het ontwerp van een apparaat dat daar verandering in zou kunnen brengen: geavanceerde windsnelheidssensoren die sterk genoeg zijn om op Mars te werken.
In 1976 werd de Marswind voor het eerst gemeten door NASA’s Viking-lander. De landers ondervonden windsnelheden die over het algemeen varieerden van 0 meter per seconde (m/s) tot 7 m/s, met een maximale snelheid van 9,5 m/s. De nieuwere Insight- en Perseverance-metingen zijn vergelijkbaar, respectievelijk met 0 m/s tot 7,5 m/s en 0 m/s tot 12,1 m/s. Tijdens de stofstorm registreerde Perseverance de hoogste windsnelheid ooit gemeten op Mars: een windstoot van 22 m/s. Ter vergelijking: de Wind Power Survey uit 2005 berekende een gemiddelde windsnelheid op aarde op 10 meter boven zeeniveau van 6,65 m/s boven de oceaan en 3,28 m/s boven land; Orkanen worden gedefinieerd als stormen met windsnelheden van minimaal 34 m/s, en de hoogste ooit gemeten windsnelheid op aarde is 113 m/s.
De methoden die deze landers gebruikten hadden echter nadelen. Ze waren relatief onnauwkeurig bij lage windsnelheden en misten ook de mogelijkheid om wind in drie richtingen te meten. De laatste vraag leverde een specifiek probleem op omdat de atmosfeer van Mars, net als de atmosfeer van de aarde, turbulent is. Deze turbulentie wordt veroorzaakt door draaikolken en opwaartse stromingen van relatief warm gas dat overdag opwarmt op het aardoppervlak. Het nieuwe artikel legt uit dat deze wervelingen “het dominante mechanisme zijn waarmee warmte, momentum en moleculen van het oppervlak worden overgedragen”.
Hun onderzoek vereist echter “een windsensor die niet alleen horizontale winden kan detecteren, maar ook over het algemeen veel zachtere verticale winden en horizontale windverstoringen die verband houden met turbulente wervels.”
Op aarde worden dergelijke metingen vaak gedaan met ultrasone anemometers, apparaten die werken door pulsen van zeer hoogfrequente geluidsgolven tussen een paar transducers te sturen. Terwijl deze geluidsgolven door de atmosfeer reizen, zal elke beweging van atmosferische gassen – inclusief wind – hun aankomsttijd beïnvloeden. Pulsen die tegen de wind in worden gestuurd, zullen sneller hun bestemming bereiken, terwijl pulsen die tegen de wind in werken, worden afgeremd. Tijdsverschilmeting meet effectief de windsnelheid en als drie paar transducers langs drie orthogonale assen zijn opgesteld, kunnen de windsnelheid en -richting in drie dimensies worden gemeten.
Zo’n apparaat zou ideaal zijn voor het bestuderen van de wind en de atmosferische dynamiek op Mars, maar Mars is een uitdagende omgeving voor gevoelige apparatuur. De atmosferische druk is slechts een fractie van de gemiddelde atmosferische druk op aarde. En de temperatuur kan dramatisch variëren; in het artikel staat dat de anemometer zou moeten werken bij temperaturen van -202°F tot wel 68°F.
Helaas zijn de transducers die in ultrasone anemometers worden gebruikt vaak gevoelig voor druk en temperatuur. Om te bepalen of bestaande anemometers robuust genoeg zouden zijn voor Mars, hebben de onderzoekers vier kandidaat-modellen getest in omgevingen die zijn ontworpen om de omgeving van Mars na te bootsen. Twee ervan waren in de handel verkrijgbare modellen en de andere twee zijn gemaakt door de auteurs.
Zoals verwacht werden de apparaten beïnvloed door de omgeving. Door rekening te houden met deze effecten konden de onderzoekers echter metingen uitvoeren met verbazingwekkend kleine foutmarges: slechts 0,14% voor de windsnelheid en 0,07% voor de geluidssnelheid. Geluidssnelheidsmetingen worden gebruikt om de geluidssnelheid op Mars te bepalen door de reistijden in tegengestelde richtingen te middelen.
Volgens co-auteur Robert White is deze nieuwe methode “10 keer sneller en 10 keer nauwkeuriger dan alles wat eerder op Mars werd gebruikt.”
Het artikel merkt ook op dat er één plek op aarde is waar de omstandigheden vergelijkbaar zijn met die van Mars: in de stratosfeer, met name in het hoogtebereik tussen ongeveer 30 en 42 kilometer boven de grond. Weerballonnen op grote hoogte opereren in dit bereik, en de onderzoekers suggereren dat hun anemometers ook een secundair gebruik voor deze ballonnen kunnen hebben.