Marsin tuoreet kraatterikentät
Meillä maalaisilla on lukemattoman monta hyvää syytä olla onnellisia. Yksi niistä on hajuton, mauton, läpinäkyvä, tavattoman ohkainen ja kaltoin kohdeltu kerros yläpuolellamme – ilmakehä.
Kaiken muun mukavan ohella se suojelee meitä avaruudesta putoilevilta kiviltä. Ilmakehän tehokkuudesta suojapanssarina saa hyvän kuvan, kun vertailee tällä hetkellä syntyvien kraatterien määrää Marsissa ja Maassa.
Viimeisin törmäyskraatterin muodostanut tapahtuma Maassa on Carancasin törmäys Perussa vuonna 2007. Sen jälkeen maanpinnalle ja makuuhuoneisiin on toki putoillut avaruuden kiviä ja Venäjällä Tšeljabinskissä vuosikymmen sitten yli 1600 ihmistä loukkaantuikin asteroidin räjähdettyä ilmakehässä. Varsinaisia kraattereita ei kuitenkaan maapallolle ole Carancasin tapauksen jälkeen päässyt syntymään.
Marsissa tilanne on radikaalisti erilainen: vuosina 2007–2021 Marsin pinnalle syntyi vähintään 1203 törmäyskraatteria tai kraatterikenttää.
Vaikka Marsin jatkuva suosiminen muiden planeettojen kustannuksella monia planeettatutkijoita ärsyttääkin, on vuolaassa Mars-luotainten datavirrassa tietysti paljon hyvääkin. Yksi ilmeisistä eduista on, että Marsia on kartoitettu valtavasti. Tämän ansiosta suuret osat sen pinnasta on kuvattu moneen kertaan hyvälläkin tarkkuudella. Parhaimmillaan Marsin pinnan muutoksia etsivät tutkijat pääsevät vertailukuvia etsiessään vuoteen 1976 saakka. Marsin ylettömän kuvaamisen ansiosta meillä onkin varsin kattava käsitys sen pinnalla tapahtuvista muutoksista vuodenaikojen, vuosien ja vuosikymmenten kuluessa. Maaliskuussa Journal of Geophysical Research: Planets –lehdessä ilmestyi australialaisessa Curtinin yliopistossa työskentelevien Tanja Neidhartin ja Eleanor K. Sansomin johdolla tehty tutkimus Diversity of New Martian Crater Clusters Informs Meteoroid Atmospheric Interactions. Kuten otsikko kertoo, jutussa ei keskitytty uusiin yksittäisiin kraattereihin vaan kraatterikenttiin. Osittain tutkimus pohjautui tässäkin artikkelissa mukana olleen Ingrid J. Daubarin viime vuonna tekemään kartoitukseen Marsin tuoreista törmäyksistä.
Neidhartin ja Sansomin vetämä kartoitus on toistaiseksi kattavin Marsin tuoreiden eli luotainkuvien ottohetkien välisenä aikana syntyneiden kraatterikenttien esiintymistä selvittänyt työ. Tutkittujen kraatteriryppäiden määrä yli kahdeksankertaistui aiempaan verrattuna. Vuosien 2007–2021 aikana Marsin pinnalla on nyt havaittu syntyneen 634 kraatterikenttää, mikä on yli puolet kaikista 1203:sta havaitusta törmäystapahtumasta. Yksittäisten vähintään metrin läpimittaisten kraatterien määrä ryppäissä vaihteli kahdesta peräti yli 2300:aan.
Kraatterikentät syntyvät, kun meteoroidi tai asteroidi hajoaa kaasukehässä.1 Periaatteessa hyvin löyhä, vain niukin naukin avaruudessa oman vetovoimansa ansiosta koossa pysyvä kappale voi hajota pelkästään suuremman kappaleen aiheuttamien vuorovesivoimienkin vaikutuksesta. Tyypillisesti sellaiset kappaleet kuitenkin synnyttävät kraatteriketjuja, eivät -kenttiä. Käytännössä kraatterikenttien oletetaankin kertovan jotain kaasukehän ja törmäävän kappaleen vuorovaikutuksesta.
Marsin nykyinen hiilidioksidikaasukehä on Maan ilmakehään verrattuna kovin ohut. Keskimääräinen kaasukehän pintapaine Marsissa onkin vain noin kahdessadasosa Maan ilmakehän keskipaineesta. Lisäksi topografiset poikkeamat Marsin vertailutasosta ovat valtavat: Olympus Mons -tulivuoren huipun ja Hellaksen törmäysaltaan pohjan välinen korkeusero on lähes 30 km. Näin ollen myös erot siinä, kuinka paksun kaasukerroksen läpi Marsiin syöksyvä kappale joutuu läpäisemään päästäkseen synnyttämään kraatteri(kentä)n, ovat eri alueilla todella suuret.
Tämän vuoksi voisikin olettaa, että Marsin ylänköalueilla olisi suhteellisesti enemmän yksittäisiä kraattereita kuin kraatterikenttiä, sillä mitä paksumman kaasukerroksen läpi kivenmurikka joutuu tulemaan, sitä varmemmin se hajoaa pienemmiksi kappaleiksi ja synnyttää kraatterikentän.
Yllättäen mitään tilastollisesti merkittävää eroa ei Neidhartin ja Sansomin ryhmän tuloksissa kuitenkaan näkynyt. Johtopäätös on, että törmäävien kappaleiden kestävyydessä on jo lähtökohtaisesti niin paljon eroja, että erot kaasukehän paksuudessa peittyvät tämän lujuusvaihtelun alle.
Osittain kraatterikenttähavainnot kuitenkin myös vastasivat ennakko-odotuksia. Alangoilla ryppäiden kraatterit ovat pienempiä, sillä kaasukehä ennättää kuluttaa törmäävät kappaleet pienemmiksi ja hidastaa niitä enemmän. Kraatterien etäisyys toisistaan on myös suurempi. Erot alankojen ja ylänköjen välillä eivät kuitenkaan olleet niin suuria kuin tutkijat olivat olettaneet. Malleissa riittää siis vielä hiomista.
Jo Daubarin johtamissa tutkimuksissa oli käynyt ilmi pari muuta korkeuden vaikutusta Marsin pinnalle syntyviin tuoreisiin pieniin kraattereihin. Kraatterien ympärillä esiintyvät tyypillisesti tummat, ulkoreunoiltaan epämääräiset kehät ovat sitä yleisempiä mitä alempana ollaan. Tämä vahvistaa entisestään sitä käsitystä, että niiden synnyssä on kyse törmäykseen liittyvän kaasukehän paineaallon seurauksista eikä se ole varsinaiseen heittelekenttään liittyvä ilmiö.
Kraattereita ympäröivät suorat säteet sen sijaan vaikuttaisivat suosivan ohuempaa kaasukehää eli suurempia korkeuksia. Säteiden tapauksessa kaasukehän vaikutusta on tosin hankalampi erottaa suuremman törmäysnopeuden ja lujemman kohdeaineksen säteiden syntyä suosivasta vaikutuksesta.
Yksi pieniä kraattereita koskeva ongelma liittyy Daubarin ryhmän havaitsemaan eroon Kuun ja Marsin tämänhetkisessä kraatteroitumisvuossa. Verrattuna suurempiin kraattereihin, Marsissa syntyy tällä hetkellä ”liian vähän” pieniä kraattereita. Mikään tällä hetkellä tunnettu luonnollinen prosessi tai erilaiset tutkimusmenetelmät eivät selitä havaittuja eroja Kuun ja Marsin välillä. Jokin kohta käsityksissämme lähiavaruuden pienkappaleiden määrästä ja kokojakaumasta lienee siis tällä hetkellä aika pahasti pielessä.
Pienten kappaleiden törmäysuhka
Tällaiset Neidhartin ja Sansomin ryhmän tutkimuksen kaltaiset artikkelit eivät tietenkään suuria otsikoita kerää. Nämä ovat perustutkimuksen pieniä kumulatiivisia askeleita kohti parempaa ymmärrystä lähiavaruudessamme kiertävien kappaleiden määristä ja ominaisuuksista sekä itse törmäysprosessista. Tuoreiden kraatterien ja kraatterikenttien tutkimuksella on kuitenkin myös käytännön merkitystä. Ei vielä tällä kvartaalilla tai edes tällä vaalikaudella, mutta ennen pitkää.
Ihmiset palaavat Kuuhun lähivuosina ja meteoroiditörmäyksiltä suojautuminen on yksi keskeisistä edellytyksistä pidempiaikaisen turvallisen kuuaseman perustamiselle. Sama on luultavasti lähivuosikymmenten kuluessa ajankohtaista myös Marsissa. Tukikohtien suunnittelijat ja asukkaat varmasti haluavat tietää, millaiseen törmäysuhkaan he joutuvat varautumaan. Tällä hetkellä tietomme ovat melkoisen vajavaiset.
Vaikka maapallolla onkin hyvä suojapanssari pienimpiä törmäyksiä vastaan, auttavat Mars-tutkimukset myös meitä varautumaan avaruuden uhkiin. Tutkijat ovat onneksi yhä parempia havaitsemaan Maan kanssa törmäyskurssilla olevia asteroideja. Kaikki etukäteishavainnot Maahan törmäävistä asteroideista on tehty vuoden 2008 jälkeen ja löytötahti kiihtyy koko ajan. Reilu vuosi sitten maaliskuussa havaittiin viides Maahan törmäämässä oleva asteroidi ja tämän vuoden helmikuussa jo seitsemäs.2
Tähän asti kappaleet ovat olleet korkeintaan muutaman metrin läpimittaisia ja possahtaneet harmittomasti ilmakehässä yleensä muutama tunti löytämisensä jälkeen pudottaen maanpinnalle korkeintaan pieniä meteoriitteja. Jossain vaiheessa varmasti kuitenkin löydetään Carancasin tai Tšeljabinskin kappaleen kaltaisia tai suurempia asteroideja, jotka ovat matkalla Maahan ja huonolla tuurilla vielä Carancasin ja Tšeljabinskin tapaan asutuille seuduille. Silloin on kaikkien kannalta hyvä, jos työkalupakista löytyy ymmärrystä siitä, mitä törmääville kappaleilla ilmakehässä ja itse törmäyksessä tapahtuu. Niinpä tästä eksistentiaalisesta näkökulmasta tarkastellen ei ole montakaan alaa, joiden yhteiskunnallinen vaikuttavuus olisi suurempi kuin Marsin kraatterikenttien ja ylipäätään törmäyskraatterien tutkiminen.
Mikäli maapallon lähiasteroidit ja asteroidien aiheuttama törmäysuhka kiinnostavat, kannattaa varmaankin osallistua paikan päällä tai etänä Helsingin yliopisto(museo)n Observatorion järjestämään kansainvälisen asteroidipäivän tapahtumaan perjantaina 30.6.2023.
1Myös sekundäärikraatterit, siis primääri- eli emäkraatterista lentäneen heitteleen synnyttämät kraatterit muodostavat kraatterikenttiä. Ne kuitenkin pystytään kohtalaisella varmuudella erottamaan primäärisistä kraatterikentistä kraatterien erilaisten muotojen perusteella. Sekundäärikraatterit jätettiinkin pois Neidhartin ja Sansomin johtamasta tutkimuksesta.
2Sekä viidennen että seitsemännen törmänneen asteroidin löysi unkarilainen asteroidien metsästäjä Krisztián Sárneczky. Vaikka asteroidit uhkaavat tasaisesti koko ihmiskuntaa, Maahan suuntautuvia kivenmurikoita eivät kuitenkaan pyri havaitsemaan juuri muut kuin NASA, Krisztián Sárneczky ja joukko chileläisiä harrastajia. Häkellyttävän harvassa ovat planeetan puolustajat.
1203 kraatterikenttää 15 vuodessa, 80 vuodessa, 300 miljardia neljässä miljardissa vuodessa, kraatterikenttä aina 20 metrin välein. Tuon luulisi olevan aika huima tieteellinen aineisto kunhan sitä päästään tutkimaan, läpileikkaus asteroidivyöhykkeen törmäyshistoriasta. Metrin kokoiset meteoroidithan eivät säily kiertoradalla kovin pitkään, koska säteilypaine jaksaa muuttaa niiden ratoja saaden ne törmäämään planeettoihin (tai Kuuhun) tai viimeistään Aurinkoon. Historiassa tapahtuneiden asteroidien keskinäisten törmäysten synnyttämät meteoroidiparvet ovat aikoja sitten hävinneet avaruudesta ja muualta, mutta Marsiin niiden edustajia voi olla fossiloitunut.
Kyllä, erittäin kiinnostava arkisto se on ja varmasti auttaa ymmärtämään aurinkokunnan dynamiikkaa. Se toki pitää muistaa, vaikka nämä ovat pieniä tapauksia, ovat ne silti kraattereita, eikä törmäävästä kappaleesta kovin paljon jää jäljelle.
Aika paljolti törmäävän kappaleen jäänteiden säilyminen riippuu siitä, missä kokoluokassa räjähdyskraatterit muuttuvat iskukraattereiksi. Räjähdyskraatterin tapauksessa ei törmäävästä kappaleesta jää juuri mitään jäljelle, iskukraatterin tapauksessa sitten enemmän, mutta aika mäsäksi niidenkin kappaleet menevät. Maapallolla läpimittarajana on noin 100 m, eli esimerkiksi Kaalijärven pääkraatteri on räjähdyskraatteri, mutta sivukraatterit ovat iskukraattereita. Kun Marsissa kaasukehä on ohut, tulevat melko pienetkin kappaleet niin suurella nopeudella, että luulisi aika pientenkin kraatterien vielä olevan räjähdyskraattereita (en muista nähneeni tuosta arvioita). Toki Marsissa keskimääräinen törmäysnopeus on vähän pienempi kuin täällä, mikä hieman auttaa kappaleiden säilymisessä.
Kuten Mars-mönkijät ovat osoittaneet, pienemmät kraattereita synnyttämättömät kappaleet ovat nätisti pinnalla odottelemassa tutkijoita. Eri asia sitten on, kuinka hyvin kivimeteoriitit, vallankaan vaikkapa hiilikondriitit, kestävät Marsin olosuhteissa, vaikka sopivasti hautautuisivatkin suojaavien kerrostumien alle. No, joka tapauksessa paljon paremmin kuin täällä, joten hyvä niitä Marsin sedimenttikerroksia olisi tästäkin näkökulmasta päästä penkomaan.
Marsissa syntyy liian vähän pieniä kraattereita Kuuhun verrattuna… tai ehkä Kuussa liian paljon, voisiko olla niin että osa Kuun pienistä kraattereista olisi sekundäärisiä kraattereita, eli isommasta törmäyksestä syntyneiden heitteleiden putoamisia takaisin Kuuhun(?)
En ole päässyt tuota mainitsemaani Daubarin artikkelia lukemaan, kun sitä eivät vielä edes harmaalle alueelle astumalla köyhät akateemisen maailman ulkopuolella puuhastelevat saa lukea (siksi linkkasinkin myös hänen LPSC-abstraktinsa). Siksi en tohdikaan sanoa omaa mielipidettäni siitä, kuinka vahvalla pohjalla tuo Kuun ja Marsin ero on. Joka tapauksessa jokunen sekundäärikraatteri on varmasti sotkemassa molempia aineistoja, mutta en usko sen olevan merkittävä ongelma.
Ensinnäkin tässä on kyse nykyisestä kraatteroitumisvuosta, joka onneksi on vähäinen ja koostuu pienistä kappaleista. Niinpä mainittavan kokoiset sekundäärikraatteritkin ovat todella harvassa ja jäävät kuitenkin enimmäkseen emäkraatterinsa lähelle, jolloin ne voidaan jo sillä perusteella karsia pois. Lisäksi sekundäärikraatterien muodot auttavat erottamaan ne primäärikraattereista hyvin tehokkaasti. Sekundäärikraatterit ovat tyypillisesti ainakin hieman elliptisiä, koska törmäykset ovat sen verran vinoja, ja pituusakseli usein (muttei aina) osoittaa emäkraatteriin päin. Lisäksi niiden ympäristössä näkyy heitteleen synnyttämiä uurroksia tai joskus myös kerrostumisrakenteita. Sekundäärikraattereissa nähdään myös usein primäärikraattereille epätyypillisiä muotoja, koska törmäysnopeudet ovat alhaisempia.
Jos puhutaan suuremmista sekundäärikraattereista, ne ovat sitten ongelmia, koska suurta ja kauas syntynyttä sekundäärikraatteria on äärimmäisen hankala, usein suorastaan mahdoton osoittaa edes kohtalaisella varmuudella sekundääriseksi. Tämä on kutakuinkin ylitsepääsemätön epävarmuustekijä kraatterilaskuihin perustuvassa iänmäärityksessä.
Toinen vastaavankaltainen ongelma ovat ns. self-secondaries, eli suht jyrkällä kulmalla lähteneet kappaleet, jotka sitten putoavat kraatterin oman heittelekentän päälle ja synnyttävät sekundäärikraatterin siihen. Kun tuollaisen primäärikraatterin ikää yritetään kraatterilaskujen perusteella määrittää, tulee ongelmaksi erottaa kraatterin kanssa saman ikäiset self-secondary -kraatterit myöhemmin syntyneistä primäärikraattereista. Siitä, kuinka paljon self-secondaryjä syntyy, ei kellään ole tällä hetkellä varmaa käsitystä. Kraatterilaskijat yrittävät näistä ongelmista selvitä parhaansa mukaan, mutta ei se helppoa ole. Vaikka siis kraatterilaskut antavat näennäisesti tarkkoja ”ikiä” joilla on pienet virherajat, menetelmän sisäänrakennetut ongelmat täytyy aina pitää mielessä (ja minun kommenttejani lukiessa pitää myös muistaa se, että en itse ole kraatterilaskija ja suhtaudun siihen myös käsitykseni mukaan hieman keskivertoplaneettatutkijaa kriittisemmin). Ja paitsi että on tämä self-secondary -ongelma, törmäysvuon kehityksestä ajan kuluessa on pari pääkoulukuntaa ja niiden sisällä useita eri variaatioita, minkä vuoksi esim. Marsin ikämääritykset voivat poiketa toisistaan parikin miljardia vuotta ihan riippuen siitä, mitä mallia käyttää.
Tämä nyt lähti taas vaihteeksi sivuraiteille, mutta tiivistäen vastauksena tuohon kysymykseen: joo, osa Kuun pienistä kraattereista varmasti on sekundäärikraattereita, mutta sama pätee myös Marsiin, ja uskon niistä suurimman osan kuitenkin karsiutuneen tutkimusvaiheessa pois. Jotain itse törmäysvuohon liittyvää tuossa takana siis luultavasti on. Tarkempaa kommenttia varten pitäisi odotella noin vuosi, jolloin tuo artikkeli tulee kaikkien saataville ja sen pääsee lukemaan.