Mars-havainnot tarkemmassa syynissä

Paula-Christiina Wirtanen ja Veikko Mäkelä:

Jatkoksi edellisen Zeniitin havaintokauden raporttiin vuorossa on tarkempi analyysi Marsin eteläisen napakalotin pienenemisestä kauden aikana.

Edellisessä Zeniitissä [1] julkaistiin kattava katsaus kauden 2020–2021 Mars-havaintoihin. Materiaalia oli runsaasti ja havainnot olivat paitsi ajallisesti kattavia, myös pääsääntöisesti varsin laadukkaita. Edellisen Zeniitin julkaisun jälkeen kokonaissaalis kasvoi vielä yhdellä Lasse Ekblomin 24.5.2021 tekemällä havainnolla. Kyseessä on melkoinen tekninen taidonnäyte. Marsin kulmaläpimitta oli jo pienentynyt 4,3 kaarisekuntiin ollen vain hieman Uranuksen vastaavaa suurempi. Näissä lukemissa kuvaamallakin tehdyt havainnot alkavat olla jo lähellä mahdottomia yksityiskohtien erottamiseksi.

Näin kuitenkin suomalaisten harrastajien Mars-havaintokausi kasvoi lähes vuoden mittaiseksi alkaen 30.5.2020 ja päättyen 24.5.2021. Se on hieno suoritus ja kertoo kiinnostuksesta kiehtovaan naapuriplaneettaamme, vaikka paras havaintokausi sijoittuikin vain elo- ja joulukuun välille.

Yksi tavoite havaintokaudella oli Marsin eteläisen napakalotin pienenemisen seuraaminen. Tämän saadut havainnot mahdollistivat, ja raportissa keskitymme tarkempaan analyysiin kalotin koon muuttumisesta sekä sen epäkeskisestä sijainnista. 

Eteläkalotin erikoisuuksia

Maan tapaan Marsilla on navoillaan napakalotit. Kummankin jäätikön ytimen muodostaa tavallinen vesijää, jonka määrä vaihtelee vuodenajan mukaan. Siinä mielessä ne ovat aivan samanlaisia kuin kotiplaneetallammekin. Mutta Marsin napajäätiköillä myös hiilidioksidi härmistyy jääksi, ja Marsin talven aikana kolmasosa sen ilmakehän hiilidioksidista on navoille jäätyneenä.

Kevään tullen pohjoisnavalle talven aikana muodostunut hiilidioksidijää sublimoituu ja jäljelle jää vesijäästä muodostunut pysyvä ydin. Marsin etelänapa sen sijaan on erilainen: jäätikön päällä on pysyvästi parin metrin kerros hiilidioksidijäätä myös kesällä. Sitä on enemmänkin varastoituneena vesijään ja siihen sekoittuneiden sedimenttien seassa [2]. Napajäätikkö kuitenkin pienenee sen verran, että kaukoputkella Maan päältä havaittuna kalotti näyttää näyttää kokonaan sulavan.

Maanpäällisen havaitsijan huomattavana on kuitenkin eräs toinen erikoisuus: kalotin epäkeskinen sijainti. Marsin eteläinen napajäätikkö ei sijaitse täsmälleen navalla, vaan hieman siitä sivuun. Sulatessaan kalotin muotokaan ei pysy täysin pyöreänä, vaan se näkyy hyvinkin epämääräisen tai soikean muotoisena. 

Marsin eteläisen napakalotin epäsäännöllisen muodon havaitsi aikoinaan jo Christiaan Huygens vuonna 1672 ensimmäisten kartoitettujen pinnanmuotojen kanssa. Napalakin sijainnin hieman sivussa varsinaisesta navasta havaitsi ensimmäisenä Giacomo Maraldi vuonna 1719. Hän oli Giovanni Cassinin veljenpoika ja työskenteli setänsä tavoin Pariisin observatoriossa [3]. Sittemmin napakalotin epäkeskinen sijainti on varmistettu myös luotainlennoilla.

Napakalotin sijainnin vääristymän aiheuttaa erityisesti suuri ja syvä Hellaksen tasanko. Se on läpimitaltaan parituhatta kilometrinen törmäysallas, jolla on syvyyttä yhdeksän kilometriä. Kyseessä on Marsin syvin kohta. Yhdessä hieman pienemmän Argyren törmäysaltaan kanssa se vaikuttaa Marsin eteläisen pallonpuoliskon ilmasto-olosuhteisiin [4] ja tätä kautta napakalotin poikkeavaan sijaintiin.

Novus Mons 

Hieman myöhemmin löydetty pinnanmuoto on Novus Mons, joka tunnetaan myös nimellä ”Mountains of Mitchel”, Mitchelin vuoret. Kyseessä on Marsin eteläisen napakalotin sulamisen yhteydessä hetkeksi irralleen jäävä osa – vähän kuin lippa napalakissa. Yksityiskohta löydettiin vuonna 1845, jolloin Marsilla oli perihelioppositio elokuussa. Löydön teki Cincinnatin observatoriossa (Ohio, USA) Ormsby MacKnight Mitchel. Piirre tuli tunnetuksi hänen mukaansa ennen kuin Novus Mons tuli yksityiskohdan viralliseksi nimeksi [5].

Kevään edetessä kohti kesää Marsissa napalakki alkaa sulaa voimakkaasti. Kalotin ympäristön epätasaisuuden takia sen voi nähdä epäsäännöllisenä, hieman soikion muotoisena. Sulamisen edetessä Novus Monsina tunnettu yksityiskohta on löydettävissä. Se sijaitsee pituusasteiden 300–330° ja eteläisten leveysasteiden 70–75° välillä.

Novus Mons havainnoissa

Havaintoja Novus Monsista suomalaishavaitsijat saivat 14.–21.8.2020 välisenä aikana. Napaprojektiot ja leveysastemittaukset havainnoista on tehnyt Veikko Mäkelä WinJUPOS-ohjelmalla ja varsinaiset kuvat on käännetty yhtenäiseen asentoon, jossa etelä on ylhäällä ja itä oikealla.

Kauden ensimmäinen havainto Novus Monsista oli Lasse Ekblomilta 14.8.2020 kello 4.05. Keskimeridiaani CM = 21°. Vasemmassa reunassa pilkottaa nollameridiaani ja kuvassa näkyvillä on Mare Erythraeumin ja Niliacus Lacuksen alue. Myös napakalotin epäsäännöllinen muoto erottuu selvästi.

Tämän jälkeen tehdyissä valokuvahavainnoissa Novus Mons erottui todella selkeästi. Näihin aikoihin visuaalihavaintoja tehneet Wirtanen ja Ojanperä olivat havainneet kyllä napakalotin kutakuinkin saman kokoisena kuin valokuvissa, mutta Novus Mons tai kalotin epämääräinen muoto eivät olleet erottuneet.

Elokuun 20. päivä tehdyssä Jerry Jantusen havainnossa keskimeridiaani oli sopiva Novus Monsin alueen näkymiselle erittäin hyvin kohti havaitsijaa. Varsinaisen napakalotin ja Novus Monsille vielä jääneen jääpeitteen erottava Rima Australis erottuu tummana. Marsin tunnetuin puoli on esillä, tumma kolmionmuotoinen kieleke on Syrtis Major, ja sen yläpuolella näkyvä vaalea alue on Hellaksen tasanko – edellä mainittu koko Marsin eteläiseen ilmastoon vaikuttava suuri törmäysallas.

Samoja pinnanmuotoja on nähtävillä myös seuraavana yönä tehdyssä Ari Haaviston havainnossa.

Marsin eteläisen napakalotin kehitys projektioina

Kauden ensimmäisessä havainnossa 30.5. napakalotti oli vielä koko komeudessaan näkyvillä. Ongelma tarkassa mittaamisessa on Marsin vajaa vaihe sekä vielä varsin pieni kulmaläpimitta. Osa napakalotista jää pimentoon ja projektiossa se näyttää olevan vahvasti pituusasteiden noin 90–120° suuntaan laajentunut. Todellisuudessa iso osa kalottia on terminaattorin pimeällä puolella. Mutta vaikutelman napalakin koosta saa kuitenkin erinomaisesti.

Elokuun alussa, havaintokauden toden teolla käynnistyttyä, kalotti oli pienentynyt. Lasse Ekblomin havainnossa 10.8. kello 4.18 erottuu Solis Lacuksen ympäristöä sekä epäsäännöllisen muotoinen napakalotti. Kuukautta myöhemmin kalotin huomaa reilusti pienentyneen. Lassen 7.9. kello 3.18 otetussa kuvassa näkyy Marsin Amazonis sekä tulivuoret, tumma alue on Mare Sirenum. Marsin asento havaintohetkellä hiukan vaikeuttaa kalotin koon tulkintaa.

Syyskuun lopussa pieneneminen hidastuu ja valokuvahavainnoissa napakalotti esiintyy joulukuulle saakka sen kadotessa visuaalihavaitsijoiden näkymättömiin jo lokakuun lopulla. Joulukuun pilvisyysjakson takia jäi epäselväksi, koska napakalotin olisi saanut vielä valokuviin suomalaisvoimin napattua. Tammikuussa 2021 se ei enää näkynyt kuvissa, vaikka joitain ulkomaisia havaintoja kalotista vielä olikin.

Marsin eteläisen napakalotin kehitys käyränä

Kenties havainnollisin tapa seurata napakalotin koon muutosta on käyrä. Oheisessa käyrässä  (kaavio 1) on mitattu napakalotin ulkoreunan pohjoisinta leveysastetta. Mittauspisteitä on otettu suurimmasta osasta kuvia, joista napakalotin on voinut luotettavasti mitata. Mukana lukuisten eri havaitsijoiden kuvia.

Käyrän sovitus on selkeä ja noudattaa pitkälle odotettua tulosta. Yksittäisissä mittauksissa on jonkin verran hajontaa, johon on vaikuttanut itse kuvan laatu (kuten kaukoputken koko, kuvankäsittelyn rajoitteet ja havainto-olosuhteet), havaintohetki (onko tarkkailtu kalottia sen leventyneestä suunnasta vai vastakkaiselta puolelta) sekä kuvan sijoittaminen oikeaan asentoon WinJUPOS-ohjelmassa ja lopulta kalotin reunan mittaustarkuus napaprojektiokuvasta.

Toisessa käyrässä (kaavio 2) on oranssilla merkittynä mittaukset havainnoista, jotka on tehty “väärältä puolelta”, keskimeridiaanin ollessa 120°–240°. Tällöin napakalotin keskeiset alueet ovat Maasta nähtynä Marsin takana. Planeetan kaltevuus mahdollistaa kuitenkin napakalotin näkymisen. Tämän otoksen perusteella mittautuloksessa ei ole merkittävää eroa.

Kolmas kaavio (kaavio 3) on napakalotin pienenemisestä suuntaa antava ja jonkin verran epätarkka esitys napaprojektiona.

Loppupäätelmä

Havainnoista saaduista datasta voidaan helposti todentaa Marsin eteläisen napakalotin epäsäännöllinen muoto sekä sen sijainti aavistuksen verran sivussa napa-akselista. Valokuvahavainnoissa kumpikin erottui selvästi ja varsinkin elokuun havainnoissa epämääräinen muoto oli selkeä.

Pohjoinen reuna eteläisellä napakalotilla ulottui laajemmalle pituusasteiden 330°–60° välillä. Kalotin keskipiste poikkesi itse etelänavassa jonkun verran. Se oli jossain leveysasteiden 80°–85°S seutuvilla. Tuosta sen keskipiste ei enää siirry kohti napaa, vaan vakiintuu ja vain vähitellen hitaasti pienentyen ohenee ja sulaa.

Napakalotti pieneni nopeaan tahtiin aina syyskuun lopulle saakka ja opposition läheisyydessä sulamisvauhti selvästi tasaantui. Novus Monsina tunnettu yksityiskohta oli näkyvissä 14.–21.8.2020 välisenä aikana valokuvahavainnoissa.

Napaprojektiomenetelmä on osoittautunut myös toimivaksi tavaksi tutkia napajäätikön kehitystä. Varsinaisista kuvista tulkinta ei ole niin ilmeinen. Menetelmä vaatii kuitenkin vielä opiskelua ja systemaattisempaa mittausrutiinia.

Napakalotin sulamisesta harrastusryhmämme on tehnyt myös verkkotapahtumana järjestettävään EPSC2021-kongressiin (Europlanet Science Congress) julkaistavan posterin. Se on esillä Outreach, Diversity, Amateur Astronomy (ODAA) -sessiossa.

Lopuksi

Kaikenkaikkiaan havaintojen käsittelyssä kului varsin kauan aikaa, mutta se ehdottomasti kannatti. Seuraavan kerran tilaisuus havaita Marsia vielä kohtuullisen hyvin on loppuvuodesta 2022, Marsin opposition ollessa 8.12.2022. Suurten kaukoputkien omistajat ja valokuvaajat voivat aloitella havaintokautta jo kesällä Marsin koon vähitellen suurentuessa, mutta paras havaintojakso sijoittuu vuodenvaihteen 2022 ja 2023 molemmin puolin lokakuulta tammikuulle. Mutta tähän asiaan palaamme myöhemmin. 

Toivottavasti nautitte paitsi havaitsemisesta myös niistä saatavista päätelmistä. Hyvää syksyä ja kirkkaita ilmoja.

Huomautus

Toisin, kuin edellisessä numerossa tehdyssä yhteenvedossa, napakalotti oli havaittu jo vuorokautta aiemmin. Artikkelissa [1] oli mainittu ensimmäiseksi havainnoksi Tapio Lahtisen 15.8. ottama kuva, mutta napaprojektioita tehdessä ja havaintoja uudelleen tutkiessa näyttää 14.8. tehty havainto sisältävän jo selvästi muusta napakalotista erillisen riekaleen. Tämä on nyt oikaistu artikkeliin. Pahoittelemme virhettä!

Myös luvattu albedokartta julkaistaan myöhemmin. Karttoja kaipaavien iloksi kuitenkin havaintokatsauksen ensimmäisen osan [1] lopussa on julkaistu sekä Jari Kankaanpään että Lasse Ekblomin omista havainnoistaan tekemät kartat.

Viitteet

[1] Wirtanen, P.C. (2021). Mars – havaintokausi 2020–2021. Zeniitti 2/2021.
[2] Öhman, T. (2020). Mars-maisemia havaitsijoille 2: Napalakit. Kraatterin reunalta, 17.9.2020, Ursa.
[3] Schmude R. W. Jr. (2019). The South Polar Region of Mars: A Review. Georgia Journal of Science, Vol. 77 No. 2.
[4] Öhman, T. (2020). Mars-maisemia havaitsijoille 3: Pinnanmuodot ja niiden geologia. Kraatterin reunalta, 28.9.2020, Ursa.
[5] Beish J. (2020). The South Polar Region. Association of Lunar and Planetary Observers.
[6] Antoniadi’s Mars Cloud maps (1930) (south pole). Digital Museum of Planetary Mapping.
[7] First Topographic Maps of the South Pole of Mars. USRA / Lunar and Planetary Institute.

English summary

We present some results of diminishing of Martian Southern Polar Cap (SPC) during the apparition 2020–2021 by Finnish amateur data.

We had ca 150 images taken by the members of the Lunar and Planetary group of Ursa Astronomical Association. Observations were made with 0.10-m up to 0.40-m telescopes mainly with planet imaging cameras. Image data cover the period from May 2020 to April 2021.

We selected a large sample of images where the polar cap is clearly visible. Then we converted the sample images into a polar projection with planetocentric latitudes using the WinJUPOS software and measured the northernmost latitude of SPC from each projected image.

In the early phases of the diminishing process the SPC was more or less oval-shaped. Especially in the August 2020 observations the shape was clearly non-circular.

The SPC asymmetry is clearly visible. The centre of the polar cap was misplaced from the Martian South Pole.

The SPC asymmetry and misplacement from the Martian South Pole is clearly visible.

Novus Mons feature was observable as a separated icy fragment near the edge of the SPC during the period 14–21 Aug 2020.

More information is possible to get from our poster, which is presented in EPSC2021. It is possible to read from here.