Er Marsstøv magnetisk?

Hej Spørg om Fysik
Jeg er i gang med et projekt, der går ud på at undersøge mars-støv. Derfor har jeg et kort spørgsmål:

Jeg ved, at ca. 3 % af støvet består af magnetiske stoffer. Vil det så sige, at det kun er de 3 % der vil blive tiltrukket af en magnet, eller ville man kunne tiltrække næsten 100%?

Med venlig hilsen
CN

Det er faktisk et rigtigt godt spørgsmål - og faktisk et spørgsmål vi aktivt arbejder på at prøve at besvare. Det helt korte svar er, at vi endnu ikke helt har helt styr på svaret på dette spørgsmål. Det betyder også at forklaringen af detaljerne bliver temmelig lang ;-).

Sagen er den, at de data vi har fra forskellige landede missioner, i en vis forstand ikke er særlig præcise. For at forstå detaljerne vil det måske hjælpe med en smule historie. Og - for en god ordens skyld - skal du også vide at årsagen til, at vi overhovedet begyndte, at interessere os for det magnetiske støv på Mars var, at vi mente at en detaljeret viden om støvet ville kunne fortælle os vigtige informationer om flydende vands historie på planeten; en ide, som ikke var helt forkert, men hvis svar rummede en del overraskelser for os.

Allerede de amerikanske Viking-landere, som landede på Mars i 1976, medbragte nogle simple instrumenter, hvoraf man kunne se at både det luftbårne støv og Mars-jorden til en vis grad var magnetisk i den forstand, at det blev tiltrukket af permanente magneter i disse instrumenter.

NASA's Mars Pathfinder mission, som landede 4. juli 1997, medbragte 5 danske magnet-eksperimenter, som havde til formål at undersøge hvor kraftigt magnetisk (strengt taget magnetiserbart), det luftbårne støv er. Bl.a. medbragte vi et (relativt simpelt) eksperiment, som bestod af 5 magneter (i hver af to af de 5 medbragte instrumenter) designet sådan, at de havde forskellig evne til at tiltrække og fastholde magnetiserbart støv (http://adsabs.harvard.edu/abs/1998P%26SS...46..449G). Her viste det sig, at det støv vi kunne tiltrække på disse magneter, altid så rødligt ud, når laget var tilstrækkelig tykt (som på de kraftigste af magneterne) til, at det gav mening at udtale sig om farven. På de svagere magneter så støvet mørkere ud, men intensiteten i spektrene var så lav, at det var svært præcist og kvantitativt at udtale sig om farven. Det viste sig også, at farven af støvet på de kraftigste magneter (men ikke reflektiviteten) var omtrent den samme, som det luftbårne støv, man ser når man kigger på himlen. Alene dette faktum tyder på, at de partikler vi havde fanget på magneterne, var blandede og altså bestod af mange mineraler (hvoraf med stor sandsynlighed) kun nogle er væsentlig magnetiske (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/1998JE900006/abstract).

Desuden er det sådan, at når støv-partiklerne er så små, at de i længere tid kan blive hængende i den tynde Mars-atmosfære (og gøre himlen rødlig), har de en tendens til at hænge sammen, hvis de møder hinanden i luften. Faktisk ser det ud til, at de luftbårne partikler for en meget stor dels vedkommende, ikke er individuelle partikler, men at de er små agglomerater, hver bestående af en masse (rigtig, rigtig mange faktisk) mindre krystaller. Når disse sætter sig på en overflade, vil de typisk agglomerere yderligere, og når agglomeraterne bliver store nok, kan de falde af. Alt dette passer godt med en ide om, at støvet består af ultrasmå partikler, så små at de typisk - på Jorden i hvert fald - dannes ved udfældning i flydende vand.

Et spørgsmål, som det viste sig umuligt at løse i forbindelse med dataene fra Pathfinder-missionen, var hvor repræsentativt det støv, der var blevet fanget på magneterne, var for det luftbårne støv som helhed - det var helt klart, at vi ikke udelukkende fangede magnetiske partikler, for så ville farven ikke have været præcis den samme som det luftbårne støv, men om der blandt de luftbårne partikler fandtes nogle som overhovedet - eller næsten ikke - var magnetiske, kunne vi ikke med de forhåndenværende data svare på.

Den næste mulighed danske forskere fik, for at foretage videre undersøgelser af Mars-støvet, kom med Mars Exploration Rovers (https://mars.jpl.nasa.gov/mer/home/index.html), Spirit og Opportunity, som landede henholdsvis i Gusev krater 4. januar 2004 og på Meridiani-sletten 25. januar. Begge disse rovere medbragte Mössbauer-spektrometre (https://en.wikipedia.org/wiki/MIMOS_II), grundstofanalysatorer og et helt nyudviklet sæt af magnet-eksperimenter (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2002JE002029/abstract) til bl.a. ved hjælp af de øvrige instrumenter på roverne at foretage yderligere undersøgelser af støvet.

Det var målinger vha. Mössbauer-spektrometrene på støv indsamlet på et sæt af de dansk-byggede magneter, som fortalte os, at årsagen til at støvpartiklerne er magnetiske (og altså kan magnetiseres), er at de indeholder det magnetiske mineral magnetit (Se evt.

• • Mars: Letters >>

Grundstof-analyser af det samme indsamlede støv viste, at koncentrationen af jern i støvet præcis fulgte koncentrationen af grundstoffer titanium - og da denne kombination netop er almindelig i magnetiske mineraler, som dannes ved vulkansk aktivitet (i basalter), kunne vi konkludere, at i det mindste hovedparten af støvet var dannet simpelthen ved at større klipper var forvitret (sandsynligvis "tørt", dvs. uden væsentlig indflydelse af flydende vand) kunne vi konkludere, at det meste af det luftbårne støv på Mars ikke direkte havde noget med flydende vand at gøre.

Et andet af de danske magnet-eksperimenter om bord, "støvsuger-magneten" (the "sweep-magnet") viste at kun overraskende lidt af det luftbårne støv, er ikke-magnetisk, og dermed i stand til at finde ind i det centrale område af den meget kraftige ringmagnet indbygget i støvsuger-magnet-eksperimentet (https://www.sciencemag.org/content/305/5685/827.abstract). En effekt heraf er, at dette eksperiment viste, at det - netop vha. en meget kraftig ringmagnet - vil være muligt til en vis grad at beskytte et lille område mod nedfald af magnetisk støv fra atmosfæren.

Dette overraskende resultat førte til at lederen af NASA's næste lander til Mars, Peter Smith, inviterede Danmark til at levere et sæt af tre farvereference-plader (Magnetic properties experiments and the Surface Stereo Imager calibration target onboard the Mars Phoenix 2007 Lander: Design, calibration, and science goals) til farve-kalibrering af stereo-farvekameraet om bord på Phoenix-missionen (Phoenix Mars Lander Is Silent, New Image Shows Damage).

Disse farvereference-plader var samtidig et forbedret eksperiment ift. MER's støvsuger-magneteksperiment til at undersøge netop det ikke-magnetiske støv, som er i stand til at lande i området midt i ringmagneterne. Resultaterne viste, at mængden af støv, som er ikke-magnetisk er (sandsynligvis meget) mindre end 30% af støvet, og da missionen kun varede 150 dage på Mars var det vanskeligt, ud fra de data vi fik, at sige noget meget præcist, om egenskaberne af de få partikler, som landede i det mere eller mindre beskyttede område midt i magneterne

(Magnetic and optical properties of airborne dust and settling rates of dust at the Phoenix landing site).

En lille sidegevinst med det danske engagement i Phoenix-missionen var, at Niels Bohr Institutets søster-gruppe i Aarhus leverede en vindmåler til Phoenix-missionen, et lille simpelt instrument (Magnetic and optical properties of airborne dust and settling rates of dust at the Phoenix landing site), som har givet de bedste vindmålinger på Mars til dato.

Med venlig hilsen
Morten Bo Madsen