يُعَدّ التكاثُف والتسامي للجليد على السطح جزءًا أساسيًّا من دَورَتَي الماء وثاني أكسيد الكربون على المريخ، على المستويين الموسمي واليومي. وبينما يتركّز معظم الجليد في القُبَّعتين القطبيّتَين، فمن المعروف أيضًا أنّ الصقيع السطحي يتكوّن ليلًا حتى في خطوط العرض الاستوائيّة. هنا نستخدم بيانات مطياف الأشعّة تحت الحمراء لمهمة الإمارات لاستكشاف المريخ “الأمل” لمراقبة التطوّر اليومي والموسمي للجليد السطحي على مدى عامٍ مريخيّ كامل تقريبًا. ويُتيح لنا اتّساع تغطية الأوقات المحليّة التي يوفّرها الجهاز تتبُّع ظهور صقيع ثاني أكسيد الكربون القُريب من خطّ الاستواء في النصف الثاني من الليل المريخي حول الاعتدالين، وكذلك رصد تساميه عند شروق الشمس.
تُعَدّ القُبَّعات القطبيّة على المريخ المخزون الرئيسي لكلٍّ من جليد الماء وثاني أكسيد الكربون على السطح، حيث يحدث على حدودهما تبادلٌ نشط للمواد المتطايرة عبر عمليّتَي التسامي والتكاثُف. إنّ نموَّهما وانحسارَهما الموسميَّين (kieffer_2000, kieffer_2001, langevin_2005a, langevin_2007, appere_2011, calvin_2015, calvin_2017, oliva_2022) عمليّتان مهمّتان في دَورَتَي الماء وثاني أكسيد الكربون الحاليتَين على المريخ، كما تُعدّان من السمات الرئيسية للدوران الجوي العالمي (forget_1999, montmessin_2017, titus_2017). في كل عام، يتكاثف جزءٌ كبير من ثاني أكسيد الكربون الجوي في القُبَّعتين القطبيّتين الموسميّتَين، ما يؤدّي إلى تقلُّبات سنويّة تُقَدَّر بحوالي ثُلث كتلة الغلاف الجوي الكوكبي (leighton_1966, james_1992, hourdin_1993, hourdin_1995, forget_1998). علاوةً على ذلك، فإنّ وجود الجليد على السطح يغيّر من البياض والقصور الحراري، ما يؤثّر في ميزانية الطاقة محليًّا وكوكبيًّا.
ورغم تمركز الجليد أساسًا في المناطق القطبيّة، يمكن أيضًا رصد جليدَي ثاني أكسيد الكربون والماء موسميًّا عند خطوط العرض المنخفضة، في ظلال المنحدرات المواجهة للقطب أو في قيعان بعض الفوّهات (schorghofer_2006, brown_2008, carrozzo_2009, vincendon_2010, conway_2012, lange_2022). وعلى الصعيد اليومي، لوحِظ أنّ الصقيع يترسّب على السطح طوال الليل ويبقى حتى الصباح الباكر (jones_1979, landis_2007, piqueux_2016). وقد أظهرت الدراسات أنّ وجود دورة صقيعٍ يوميّة لثاني أكسيد الكربون يؤثّر في العمليات السطحية مثل تكوُّن الأخاديد وبعض الظواهر الخطّيّة على المنحدرات (pilorget_2016, khuller_2021a, diniega_2021, lange_2022). ومن ثَمّ فإنّ توصيف دورة الصقيع اليوميّة وخصائص جليد ثاني أكسيد الكربون في هذه المناطق بدقّة أكبر أمرٌ مهمّ لفهم العمليات النشطة حاليًّا على سطح المريخ. كما أنّ تتبُّع نموّ وانحسار القُبَّعتين القطبيّتين خلال السنوات الماضية كشف عن تقلبات بين السنوات (piqueux_2015a)، ومن المفيد متابعة تطوّر القبعتَين الموسميّتَين بشكلٍ متزامن.
في هذه الدراسة، نستخدم لأوّل مرّة بيانات من مهمة الإمارات لاستكشاف المريخ لرسم خرائط ومراقبة تطوّر القُبَّعتين القطبيّتين على المريخ، إلى جانب صقيع ثاني أكسيد الكربون السطحي الليلي في خطوط العرض المنخفضة. أولًا، نصف في القسم الطرائق والأساليب مجموعة البيانات والأساليب المستخدمة للكشف عن الجليد السطحي ورسم خرائطه. ثم يقدّم القسم النتائج رصدًا للتقلُّبات الموسميّة واليوميّة لكلٍّ من القُبَّعتين القطبيّتين وصقيع ثاني أكسيد الكربون الليلي عند خطوط العرض المتوسّطة. وأخيرًا، يلخّص القسم الخلاصة النقاطَ الرئيسيّة للدراسة.
مطياف الأشعّة تحت الحمراء للمريخ (EMIRS) على متن مهمة الإمارات لاستكشاف المريخ (EMM) “الأمل” هو مطياف بتحويل فورييه يرصد سطح المريخ وغلافه الجوي ضمن النطاق 6–100 ميكرومتر، أي نحو 100–1660 cm\(^{-1}\)، مع دقّةٍ طيفيّةٍ اختياريّة مقدارها 5 cm\(^{-1}\) أو 10 cm\(^{-1}\) منذ فبراير 2021 (edwards_2021, amiri_2022).
يُظهر الشكل [fig:seasonal_variations] التطوّر الموسمي لحواف القُبَّعتين القطبيّتين الموسميّتَين، الشماليّة والجنوبيّة، بين \(L_s=57^\circ\) (MY 36) و\(L_s=11^\circ\) (MY 37)، المستخلصة من ملاحظات EMIRS. تمّ إعداد هذا الشكل بحساب المتوسّط اليومي لخرائط الجليد المستقر عبر جميع خطوط الطول من الملاحظات ذات الجودة العالية (انظر القسم [sec:daily_maps_method]). يشمل النطاق الزمني صيف النصف الشمالي، وانحسار SNPC وتقدّم SSPC، مع جزءٍ من شتاء النصف الشمالي. بالإضافة إلى ذلك، نُدرِج في الشكل [fig:seasonal_variations] حدود القُبَّعتين كما استُنتِجت من أدواتٍ مداريّةٍ سابقة (OMEGA وMOC) لسنواتٍ مريخيّةٍ ماضية (benson_2005, schmidt_2010, appere_2011)، كما نُدرِج الحدود المتوقَّعة من نموذج المناخ الكوكبي للمريخ Mars PCM الإصدار 6 تحت “سيناريو غبارٍ اعتياديّ” (forget_1999, navarro_2014a, naar_2021, forget_2022) للمقارنة مع استرجاعات EMIRS لـMY 36. في نموذج Mars PCM تُعرَّف مناطق القُبَّعة حيث تتجاوز سماكة طبقة الجليد السطحية عند LST=12، بعد تدويرها عبر جميع خطوط الطول، \(10^{-3}\) كغ/م\(^{-2}\).
نُلاحظ أنّ حافة SNPC تبقى مستقرة بين \(70^\circ\) و\(75^\circ\) شمالًا خلال الفترة \(L_s=58^\circ\) إلى \(L_s=143^\circ\) (أي خلال صيف الشمال عندما تبقى فقط القُبَّعة القطبيّة الشماليّة الدائمة NPRC)، ثمّ تتحرّك تدريجيًّا نحو خطّ الاستواء لتصل إلى نحو \(\sim40^\circ\) شمالًا عند \(L_s=250^\circ\) وتبقى هناك حتى \(L_s=290^\circ\). وبخلاف معظم الدراسات السابقة التي ركّزت على طور انحسار SNPC، فإننا نرصد هنا طور نموّها، ما يُضيف منظورًا مكمِّلًا لفهمنا للدورة السنويّة لـSNPC.
وبالنظر إلى عدم يقينٍ بنحو \(\sim3^\circ\) في خط العرض بسبب الامتداد المكاني لبكسلات EMIRS عند هذه العروض، فإن استرجاعاتنا لحدود SNPC تتوافق مع القياسات السابقة لـMOC وOMEGA عند \(L_s\sim57^\circ\) (MY 36) و\(L_s\sim11^\circ\) (MY 37) (benson_2005, appere_2011). ومع ذلك، وبعد انقلاب الصيف الشمالي (\(L_s=90^\circ\))، تظهر فجوة أكبر بين استرجاعات EMIRS التي تضع حافة القُبَّعة حول \(70^\circ\)–\(75^\circ\) شمالًا وبين ملاحظات MOC السابقة التي تُبلِغ عن حدٍّ حول \(80^\circ\) شمالًا (benson_2005). وبالرجوع إلى الخرائط المنشورة للقُبَّعة الشماليّة الدائمة NPRC نرى أنّ امتدادها بالكاد يبلغ \(80^\circ\) شمالًا، كما تُظهِر الدراسات وجود منطقة إضافيّة من جليد الماء الدائم بين \(74^\circ\) و\(80^\circ\) شمالًا لخطوط الطول \(95^\circ\) إلى \(245^\circ\) شرقًا (langevin_2005a, stcherbinine_2021b). وبما أنّ هذه المنطقة تُغطّي نحو \(\sim40\%\) من كامل خطوط الطول، فإنّ الاسترجاعات المعتمِدة على المتوسّط عبر جميع خطوط الطول قد تميل إلى إظهار حافةٍ أكثر تقاربًا مع خطّ الاستواء مقارنةً ببعض التقديرات السابقة.
تُظهِر منطقة القُبَّعة القطبيّة الجنوبيّة الموسميّة عدمَ تماثلٍ واضحًا ويمكن تقسيمها إلى منطقتين: “المنطقة الغامِضة” و“غير الغامِضة” (kieffer_2000, schmidt_2010). لا تتمتّع هاتان المنطقتان بالمعدّل نفسه لتسامي الجليد أثناء انحسار القُبَّعة، ولا تمتدان إلى خطوط العرض ذاتها. وخلال صيف الجنوب، يبقى الغطاء القطبي الجنوبي المتبقّي (SPRC) محصورًا في المنطقة “غير الغامِضة” (langevin_2007, schmidt_2010). وبالنظر إلى المنهجيّة المُعتمَدة هنا لرسم خريطة التطوّر الموسمي للقُبَّعات القطبيّة باستخدام EMIRS، نتوقّع أن يقع الحدّ العرضي لـSPRC الذي يحدّده EMIRS بين حدود المنطقتين “الغامِضة” و“غير الغامِضة” كما استُنتِجت من ملاحظات OMEGA (schmidt_2010).
وفعلًا، نلحظ توافقًا جيدًا بين نتائج EMIRS وملاحظات OMEGA خلال الشتاء الجنوبي (\(L_s\sim 95^\circ - 130^\circ\)) وخلال النصف الثاني من انحسار SSPC (\(L_s \sim 200^\circ - 295^\circ\)). وبين \(L_s=133^\circ\) و\(L_s=190^\circ\)، يُكتشَف حدّ SSPC من EMIRS على مسافة تصل إلى \(6^\circ\) شمالًا من الحافة الخارجيّة غير الغامِضة المُستنتَجة من OMEGA. ومع ذلك، ينبغي التنبيه إلى أنّ الحدود التي استنتجها OMEGA هي “خطوط الكروكُس” (crocus lines) (schmidt_2009, schmidt_2010)، أيْ حدود اختفاء الترسيبات المرئيّة؛ في حين تلتقط منهجيّتنا وجودَ أي جليدٍ سطحي (أو ضحلٍ تحت السطح) قد يكون حاضرًا.