La luminiscencia atmosférica es un fenómeno natural de nuestra atmósfera, que resulta de la interacción entre la luz solar y los átomos que la componen. Dependiendo del compuesto involucrado se emite luz en distintas longitudes de onda, siendo una de las más intensas la debida a la excitación de los átomos de oxígeno, que aportan el tono verdoso de las auroras polares y producen una línea verde sobre el planeta observable de noche desde el espacio. La emisión del oxígeno durante el día es más esquiva, ya que compite con la luz solar, y hasta ahora nunca se había observado en otros planetas. Gracias a la modificación de la orientación del instrumento NOMAD a bordo de la misión TGO-ExoMars (ESA), se ha detectado por primera vez en la atmósfera de Marte.

Este hallazgo permite comprender la interacción de la radiación solar con la atmósfera del planeta rojo.

“El descubrimiento de la presencia de la línea verde del oxígeno atómico en la atmósfera de Marte abre una ventana para el estudio del comportamiento y fotoquímica de este planeta, y su estudio nos proporciona una herramienta para comprender la interacción de la radiación solar con la atmósfera marciana”, apunta José Juan López-Moreno, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que participa en el hallazgo.

La detección requirió cambiar la orientación del instrumento NOMAD, a bordo de la nave Trace Gas Orbiter (TGO-ExoMars/ESA), que se halla en órbita alrededor del planeta rojo desde octubre de 2016. NOMAD observa, en el visible y en el ultravioleta, la cara iluminada de Marte para medir la columna de nubes, polvo y ozono, pero el cambio de orientación le permitió observar el limbo del planeta a distintas altitudes y buscar la emisión diurna del oxígeno.

Y, en efecto, NOMAD detectó dos picos de emisión producidos por átomos de oxígeno, uno más brillante a unos 80 kilómetros de altura y otro más débil a unos 120 kilómetros. “Era esperable, pero difícil de observar. Por fin la hemos encontrado –señala Miguel Ángel López-Valverde, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que participa en el hallazgo–. Y el buen ajuste que hemos conseguido con un modelo fotoquímico revela que nuestra descripción de los mecanismos de excitación del oxígeno atmosférico son correctos en un ambiente bien diferente al terrestre y, por tanto, son exportables a otros mundos”.

La línea verde del oxígeno en la Tierra durante la noche. Fuente: NASA.

Los investigadores concluyeron que la línea verde de la atmósfera de Marte se produce por la fotodisociación de las moléculas de dióxido de carbono, el elemento más abundante en la atmósfera marciana. Una vez rotas estas moléculas en oxígeno y monóxido de carbono, los átomos de oxígeno interaccionan con la radiación ultravioleta del Sol y producen la luminiscencia en la región verde de la luz visible y una emisión más débil en el ultravioleta.

“Hemos podido cuantificar la relación entre las emisiones en el visible y el ultravioleta del oxígeno atómico. Hasta ahora había una fuerte discrepancia entre los resultados obtenidos mediante modelos de física atómica y las medidas realizadas, nunca de forma simultánea, de estas dos emisiones en la Tierra, debido a que la atmósfera permite el paso de la radiación visible pero obstaculiza la ultravioleta. Con NOMAD midiendo desde fuera de la atmósfera en ambas partes del espectro hemos podido medir la relación de ambas emisiones y así confirmar que los valores que más se ajustan a la realidad son los obtenidos por los modelos de física atómica. Una vez más, la exploración espacial ha permitido resolver problemas de otra forma irresolubles”, destaca José Juan López-Moreno (IAA-CSIC).

La variación en intensidad y altura de la línea verde en Marte depende de la distribución del dióxido de carbono en la atmósfera. Los datos de NOMAD permitirán detectar remotamente cambios estacionales en el dióxido de carbono a una altura de unos 80 kilómetros desde la superficie, una región de la atmósfera inaccesible con medidas directas pero que resulta imprescindible conocer para el envío de misiones tripuladas y no tripuladas.

Concepción artística de la misión TGO-ExoMars observando el limbo de la atmósfera de Marte. Fuente: ESA.

“Además, esto puede tener gran interés para el estudio de las atmósferas de los planetas en otros sistemas solares y la búsqueda de señales de vida. La luminiscencia del oxígeno revela la presencia de este compuesto, muy abundante en la Tierra debido a la fotosíntesis. Así que, si la línea verde en un exoplaneta fuese mucho más intensa que la emisión que acabamos de descubrir en Marte, comparable o mayor que la intensidad observada en la Tierra, podría ser un indicador indirecto de algún tipo de vida capaz de realizar algún tipo de fotosíntesis”, apunta Miguel Ángel López-Valverde (IAA-CSIC).

“Personalmente, en vísperas de mi jubilación por edad, esta detección ha sido un premio. Mi primer trabajo de investigación, mi tesina de licenciatura, se centró en el estudio de esta misma emisión en la atmósfera terrestre. Su descubrimiento por el instrumento NOMAD ahora en la de Marte es como un precioso broche en mi transcurrir investigador”, concluye José Juan López-Moreno (IAA-CSIC).