Uh… wat?

Mercurius is de planeet die het dichtst bij de zon staat. Hoewel je het misschien niet zou verwachten, kwamen onderzoekers in 2011 tot de verrassende ontdekking dat er op deze hete planeet – ja echt – ijs te vinden is. Sindsdien proberen onderzoekers te achterhalen hoe dit ijs is ontstaan. In een nieuwe studie komt een onderzoeksteam met een vrij merkwaardige verklaring: de intense hitte van de zon zou namelijk weleens een flinke vinger in de pap kunnen hebben.

IJs op Mercurius
Mercurius cirkelt in een licht ovaalvormige baan rondom onze moederster. Op het moment dat de afstand tussen de planeet en zon het kleinst is, zijn de twee slechts 47 miljoen kilometer van elkaar verwijderd. Die geringe afstand betekent dat de temperatuur op de planeet flink kan oplopen: tot wel 400 graden Celsius. Daarmee is Mercurius misschien niet direct een plek waar je ijs zou verwachten. Toch kwamen onderzoekers er in 2011 dankzij NASA’s MESSENGER-ruimtevaartuig achter dat er op het oppervlak van Mercurius ijs te vinden is. Bijvoorbeeld in permanent beschaduwde gebieden en in kraters nabij de polen. “De meeste mensen zijn verrast dat er ijs op Mercurius te vinden is door zijn geringe afstand tot de zon,” zegt onderzoeker Thomas Orlando tegen Scientias.nl. “Mercurius heeft echter bijna geen kanteling – in feite lijkt de planeet erg op de maan – en kent daardoor ook geen seizoenen. Het betekent dat er ook weinig temperatuurverschillen bestaan in schaduwrijke gebieden. Hierdoor is het onvermijdelijk dat water – ongeacht de oorsprong hiervan – in deze koude gebieden terechtkomt, waar het zich over een tijdsbestek van miljarden jaren in bevroren toestand ophoopt tot meetbare hoeveelheden ijs.”


Ondanks de immense hitte op Mercurius is er permanent ijs op de polen te vinden. Afbeelding: NASA / MESSENGER

Net als op aarde leverden waarschijnlijk planetoïden het grootste deel van het water dat op Mercurius te vinden is op de planeet af. Dit hoopte zich vervolgens op in koude schaduwrijke kraters die nooit zonlicht zien, waar het zich vormt tot ijs. “Schattingen op basis van MESSENGER suggereren dat er ongeveer 10^14 tot 10^15 kg ijs in deze schaduwrijke gebieden te vinden is,” legt Orlando uit. “Mogelijk ligt er nog meer begraven onder de donkere organische oppervlaktelaag.” Of al dit water echter afkomstig is van planetoïden, valt te betwijfelen. In de nieuwe studie stelt de onderzoeker namelijk een heel ander mechanisme voor.

Het proces
Als de extreme hitte overdag wordt gecombineerd met de – 200 graden Celsius koude hoekjes in polaire kraters, zou dit weleens het perfecte recept kunnen vormen voor het maken van ijs, zo ontdekte het onderzoeksteam. De chemie hierachter is niet al te ingewikkeld. Zonnewinden bekogelen Mercurius met geladen deeltjes, die vervolgens zorgen voor een chemische reactie aan het oppervlak. Mineralen op Mercurius’ oppervlak bevatten namelijk zogenoemde hydroxylgroepen (OH) die voornamelijk door protonen worden gegenereerd. Door de extreme hitte van de zon ontvangen deze hydroxylgroepen zoveel energie dat er watermoleculen en waterstof worden gevormd. Deze stijgen vervolgens op en drijven rondom de gehele planeet.

Een moleculair model van de chemische reacties op Mercurius die leiden tot de vorming van ijs. Afbeelding: Georgia Tech / Orlando / Jones

Sommige watermoleculen worden afgebroken door het zonlicht of stijgen ver boven het oppervlak van de planeet uit. Maar andere moleculen landen in de buurt van Mercurius’ polen en nestelen zich in de permanent beschaduwde kraters, waar de temperaturen tot ver onder het vriespunt dalen. Hier vormen de moleculen vervolgens permanent ijs. Ongeveer tien procent van het ijs dat op Mercurius te vinden is, zag mogelijk op deze verrassende manier het levenslicht. “Omdat dit ijs zich voornamelijk op de poolkappen bevindt, maakt het een groot deel uit van wat optisch zichtbaar is,” aldus Orlando.


Heelal
Het hierboven uitgelegde mechanisme – dat ook wel recombinatieve moleculaire desorptie wordt genoemd – is niet geheel nieuw. “Het is een bekend chemisch basismechanisme in de wetenschap,” vertelt Orlando. De werking van het mechanisme was echter alleen bekend voor welomschreven oppervlakken. Daarom wilde het team proberen te achterhalen hoe het zit met meer gecompliceerde oppervlakken, zoals op andere hemellichamen. Om de omvangrijkheid van recombinatieve moleculaire desorptie verder in kaart te brengen, richtten de onderzoekers hun pijlen in eerste instantie op de maan. Onze natuurlijke satelliet ontvangt echter niet voldoende warmte om de chemische reactie te bewerkstelligen. Daarom besloten ze het onderzoek uit te breiden naar de planeten in ons zonnestelsel. “Mercurius heeft de juiste ingrediënten,” vertelt Orlando. “Ondanks het magnetische veld van Mercurius is deze zwak genoeg zodat protonen naar het oppervlak kunnen afdalen. De hoge temperatuur wakkert de chemische reactie vervolgens aan.”

De resultaten uit de studie geven een goede verklaring voor de opvallende aanwezigheid van ijs op de planeet die het dichtst bij de zon staat. Een belangrijke vondst. Onderzoekers proberen namelijk al enige tijd te begrijpen hoe het kan dat water en andere vluchtige stoffen in het binnenste deel van het zonnestelsel – waaronder de aarde, de maan en onze planetaire buren – zijn gedistribueerd. En dankzij het huidige onderzoek komen we weer een stapje dichter bij het antwoord op die prangende vraag. Bovendien geeft het ons meer inzicht in de ontstaansgeschiedenis van ons zonnestelsel. “Mooi aan het mechanisme is het universele karakter ervan,” zegt Orlando. “Eigenlijk zijn er maar drie essentiële zaken nodig: protonen, oxide-rijke mineralen en warmte. Deze drie zaken waren allemaal aanwezig tijdens de vorming van ons zonnestelsel. Hierdoor helpt het te verklaren waar het water dat op kometen te vinden is, mogelijk vandaan komt.”