أي شخص ينظر إلى المريخ اليوم من مدار مرتفع سوف يرى بقعتين بيضاوين كبيرتين عند قطبيه: وهما عبارة عن أغطية جليدية قطبية تتكون في معظمها من جليد الماء. ما ليس واضحًا بسهولة هو التصميم الموسمي لثاني أكسيد الكربون (CO2)الذي يتكثف كل شتاء متحولاً إلى طبقة من الجليد الجاف، وفي الربيع والصيف، يتسامى ويعود إلى الغلاف الجوي. هذه الحركة ذهاباً وإياباً، مقترنةً بالرياح الشديدة والغبار، تُشكّل مشهداً قطبياً يتغير بمعدلات سريعة بشكل مدهش بالنسبة لجيولوجيا المريخ.
إن فهم كيفية ربح وخسارة القبعات ليس بالأمر الغريب: إنها قطعة أساسية في إعادة بناء مناخ الكوكب الأحمرلتحديد كمية المياه المتبقية المتاحة (وأماكنها)، وتقييم ماضيها وإمكانية صلاحيتها للسكن. في العقدين الماضيين، غيّرت الرادار والكاميرات فائقة الدقة ونماذج المناخ ثلاثية الأبعاد الوضع: نعلم اليوم أن هناك سجلات مناخية متعددة الطبقات تحت الجليد، وأن هناك احتياطيات هائلة مدفونة، وأنه ربما وُجدت (أو كانت موجودة) مياه سائلة شديدة الملوحة على أعماق كبيرة، مع أن هذا التفسير له بدائل معقولة.
ما هي القمم الجليدية القطبية على المريخ وكيف تعمل؟
المريخ يحافظ غطائين دائمينشمالًا وجنوبًا، يتكون معظمه من جليد مائي، ويغطيه الجليد الجاف، حسب الفصل. خلال فصل الشتاء في نصف الكرة المظلل، ما بين 25% إلى 30% من الغلاف الجوي يترسب على شكل ثاني أكسيد الكربون المتجمدمُكوِّنةً طبقةً من الغبار ترتفع إلى الهواء بفعل التسامي عند وصول ضوء الشمس. تنقل هذه الدورة الغبار وبخار الماء، مُولِّدةً سحبًا صقيعيةً وسمحاقية، ومُحدِّدةً وتيرة التعرية والتراكم.
إن عدم التماثل بين القطبين أمر ملحوظ: ففي الشمال، يصل سمك طبقة ثاني أكسيد الكربون الشتوية إلى حوالي متر واحد، بينما في الجنوب، يظل غطاء متبقي من الجليد الجاف يبلغ ارتفاعه قرابة 8 أمتار طوال العاميبلغ قطر الغطاء الجليدي الشمالي حوالي 1.000 كيلومتر في الصيف، ويخزن حوالي 1,6 مليون كيلومتر مكعب من الجليد المائي (بمتوسط سمك يعادل حوالي 2 كيلومتر إذا تم توزيعه بالتساوي)، مقارنةً بـ 2,85 مليون كيلومتر مكعب في جرينلاند. أما جنوبًا، فيبلغ قطر الغطاء الجليدي حوالي 350-400 كيلومتر، ويبلغ سمكه حوالي 3 كيلومترات، ويُقدر حجمه الإجمالي (الغطاء الجليدي بالإضافة إلى الرواسب في الطبقات المجاورة) بنحو 1,6 مليون كيلومتر مكعب.
يظهر كلا الغطاءين انخفاضات حلزونية، وهي عبارة عن أخاديد حلزونية حقيقية، والتي وفقًا لرادار SHARAD التابع لـ MRO، تتشكل بواسطة الرياح الكاتاباتية الموجهة بالدوران (تأثير كوريوليس)وقد أدت الأبحاث الحديثة إلى تحسين التشخيص: إذ أظهرت 80% من الأخاديد عدم تناسق متوافق مع ميكانيكا الرياح، ولكن حوالي 20% منها تحتوي على أقسام "V" متناظرة تقريبًا دون الغطاء السحابي المتوقع، مما يشير إلى عمليات تآكل إضافية، ربما مرتبطة بتغيرات المناخ قبل 4 إلى 5 ملايين سنة والتي غيرت دورة المياه والرياح والسحب.
وينعكس هذا التنوع المورفولوجي أيضًا في الغطاء السحابي: تم تحديد السحب المحاذية للأخاديد في مئات الصور المداريةخاصةً بالقرب من القطب، ولكن هناك مناطق ذات تضاريس مواتية حيث تغيب السحب بشكل ملحوظ. التفسير واضح: القمم الجليدية نظام معقد تلتقي فيه الرياح وأشعة الشمس وخشونة السطح والغبار والتضاريس، دون أي "محرك" تحكم.
الاختلافات بين القمم الجليدية الشمالية والجنوبية
يقع الغطاء الجليدي الشمالي على ارتفاع أقل (القاعدة حوالي -5.000 متر، والسقف حوالي -2.000 متر) من الغطاء الجليدي الجنوبي (القاعدة بالقرب من 1.000 متر، والقمة تصل إلى 3.500 متر). نظرًا لانخفاض الارتفاع وارتفاع درجة الحرارة إلى حد ما في الصيف، فإن ثاني أكسيد الكربون الموسمي في الشمال يتسامى تمامًا كل عام.تاركًا غطاءً جليديًا متبقيًا من جليد الماء. مع نهاية الصيف وبداية الخريف، يتشكل "الغطاء القطبي": غطاء سحابي يُرسّب الجليد الجاف ويُكثّف الطبقة الموسمية. يمتد الغطاء الجليدي الشمالي، المتماثل نسبيًا حول القطب، إلى خطوط عرض قريبة من 60 درجة، ويُظهر نسيجًا من الأخاديد والشقوق والنتوءات يُشبه "الجبنة المنزلية" في الصور عالية الدقة (مستكشف المريخ العالمي).
يمر عبرها وادي تشاسما بوريال، وهو وادي ضخم يبلغ عرضه حوالي 100 كم ويصل عمقه إلى 2 كم. الرواسب الرقائقية التي تقع تحت الغطاء الجليدي هي ذاكرة المناخوقد سمحت قراءات الرادار للباحثين بالكشف بشكل دوري عن كيفية تغير الرياح والغبار والجليد مع التغيرات في ميل محور المريخ.
الغطاء الجليدي الجنوبي أعلى ارتفاعًا، وأكثر برودة، وعلى عكس الغطاء الجليدي الشمالي، يحتوي على جزء متبقٍ من الجليد الجاف. فهو لا يقع في مركز القطب الجغرافي بالضبط.يمكن تفسير هذا الانحراف باختلال التوازن في الثلوج التي تسقط على جانب واحد والآخر، تحت تأثير نظام الضغط المنخفض في نصف الكرة الغربي المرتبط بحوض هيلاس: حيث يتساقط الثلج أكثر، تكون البياض أعلى ويقل التسامي؛ حيث يهيمن الصقيع الأكثر خشونة، يتم امتصاص المزيد من الطاقة ويزداد الامتصاص.
يُشبه سطح الغطاء المتبقي الجنوبي "الجبن السويسري": الهضاب والمنخفضات الدائرية التي تتراجع عدة أمتار في السنة المريخية (بمتوسط 3 أمتار تقريبًا، مع قمم تصل إلى 8 أمتار). تُضيء شمس الصيف، التي ترسم دوائر منخفضة فوق الأفق، الجدران المستديرة بشكل أكثر كثافة من الأرضيات، مما يُعزز التآكل المحيطي ويُفضّل أشكالًا أكثر دائرية. وقد أظهر HiRISE أن هذه الحفر تنفتح في طبقة من ثاني أكسيد الكربون يتراوح سمكها بين متر وعشرة أمتار، ترتكز على كتلة أكبر بكثير من الجليد المائي؛ وتُركز الجدران المائلة الإشعاع وتُسرّع عملية التآكل.
العمليات الموسمية المتطرفة: ثاني أكسيد الكربون، والسخانات، و"العناكب"
خلال فصل الشتاء الجنوبي، تُغطى مساحات واسعة بالقرب من الغطاء الجليدي بطبقات من ثاني أكسيد الكربون يبلغ سمكها حوالي متر واحد. في بداية الربيع، تسخن الشمس الأرض تحت تلك الألواح الشفافةيتراكم الغاز، ويرفع الصفيحة الجليدية، ويكسرها. تنطلق نفثات من ثاني أكسيد الكربون محملة بالرمل أو الغبار البازلتي الداكن، مما يُكوّن ينابيع حارة حقيقية ترسم، على مدار أيام أو أسابيع، أنماط قنوات شعاعية على الجليد تُعرف باسم "العناكب".
يمكن أن يتجاوز عرض قنوات الانفجار النجمي 500 متر وعمقها مترًا واحدًا. يقترح نموذج مقبول على نطاق واسع أن أشعة الشمس تسخن حبيبات الغبار المتراكمة في الجليدتنحدر هذه البلورات الجليدية بفعل الذوبان المحلي، مُشكّلةً فجوات خلفها، ومُضيفةً المزيد من السطوع إلى الجليد. يصل الإشعاع إلى القاعدة الداكنة للصفيحة بفعالية أكبر، مُولّدًا غازًا يتدفق عبر الشقوق والفتحات إلى السطح؛ وتُشكّل المادة المُطرودة مراوح داكنة تحملها الرياح. مع حلول الشتاء التالي، تُستأنف العملية تحت طبقة جديدة من الصقيع.
الطبقات الطبقية والرادار وذاكرة المناخ
تنشأ الرواسب الطبقية القطبية (PLDs) من دورات تراكم الجليد وذوبانه مصحوبة بالغبار الناتج عن العواصف والرياح. مثل حلقات الأشجار أو نوى الجليد على الأرضتحتفظ هذه الأغطية الجليدية بمؤشرات على مناخ الماضي: تغيرات في الإشعاع الشمسي، وفصول غبارية، ومراحل رطوبة أو جفاف. علاوة على ذلك، تُظهر كلتا الغطتين الجليديتين خطوطًا وأخاديدًا مُعدّلة بتدفق الرياح واتجاه الشمس؛ فالأسطح الداكنة تمتص طاقة أكبر وتُسرّع عملية التآكل.
كشف رادار SHARAD عن مناطق انعكاسية متناوبة عالية ومنخفضة داخل PLDs والتي إنه يرتبط بنماذج التباين المائل (ميل محور المريخ). يبدو أن المناطق العلوية، الأحدث والأكثر انعكاسية، تتوافق مع فترات ذات تذبذبات ميل صغيرة نسبيًا؛ بينما ترتبط الطبقات الأكثر غبارًا بأجواء مشبعة بالغبار.
ومع ذلك، فإن تفسير سطوع الطبقات يتطلب الحذر. وقد أظهرت ملاحظات HiRISE أن التباين الظاهري يعتمد ذلك بشكل كبير على هندسة الشمس وزاوية المراقبة.من خشونة السطح ووجود صقيع طازج. لم يكشف HiRISE عن طبقات أرق من تلك التي رصدها Mars Global Surveyor، ولكنه كشف عن تفاصيل داخلية أكثر.
كشف دمج أصداء شاراد مع النماذج ثلاثية الأبعاد عن فوهات مدفونة تُساعد في تحديد تاريخ التسلسلات الجيولوجية. في القطب الشمالي، تُقدر قياسات الرادار حجم الجليد المائي في طبقات الجليد السطحية بحوالي 821.000 كيلومتر مكعب. حوالي 30% من حجم جرينلاندوفي عام 2017، نشرت وكالة الفضاء الأوروبية صورة فسيفساء كبيرة للغطاء الشمالي التقطتها مركبة مارس إكسبريس، والتي وضعت البنية المعقدة للأخاديد والطبقات في منظورها الصحيح.
ثاني أكسيد الكربون المدفون والتجلدات الجنوبية الكبيرة
إلى الجنوب، تم تحديد احتياطيات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون الصلب مدفونة في ثلاث حزم طبقية، كل منها مختومة بحوالي 30 متراً من الجليد المائي الذي يمنع تصعيده. إذا تم إطلاق كل هذا ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، فإن الضغط السطحي قد يتضاعف.ويبدو أن هذه الطبقات مرتبطة بحلقات الانهيار الجوي وإعادة البناء طوال تاريخ المريخ، وهي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالتغيرات المدارية.
يمتد تكوين دورسا أرجينتيا، المحيط بالقطب الجنوبي، وهو عبارة عن حقل واسع من التلال الرسوبية المترسبة بواسطة الأنهار تحت الجليدية والتي تعتبر بقايا طبقة جليدية ضخمة تغطي حوالي 1,5 مليون كيلومتر مربعتبلغ مساحتها ضعف مساحة ولاية تكساس تقريبًا. وهي تُعدّ جزءًا أساسيًا من إعادة بناء التجلدات القديمة وتدفقات الجليد المُقننة في نصف الكرة الجنوبي.
الماء السائل تحت الجليد: الاكتشافات والنقاش
في عام 2018، أفاد فريق يقوم بتحليل رادار MARSIS على Mars Express عن وجود منطقة عاكسة للغاية على بعد 1,5 كم أسفل الرواسب الطبقية للقطب الجنوبي، وعرضها حوالي 20 كم، والتي تم تفسيرها على أنها بحيرة مياه مالحة تحت الجليدوقد هز هذا الاكتشاف المجال العلمي: فإذا تأكد، فإنه سيكون أول كتلة مستقرة من الماء السائل يتم العثور عليها على المريخ وهدفًا بيولوجيًا فلكيًا رئيسيًا.
ومع ذلك، اقترحت الأبحاث اللاحقة بديلاً أكثر جدية: يمكن لطين السمكتيت المجمد (سيليكات الألومنيوم المائية) إعادة إنتاج نفس إشارات الرادار. القياسات المعملية لنفاذية العزل الكهربائي في عينات المونتموريلونيت في درجات الحرارة المنخفضة تتوافق هذه النتائج مع أصداء مارسيس، ونعلم أن السمكتيتات موجودة بكثرة على المريخ (تغطي ما يقرب من نصف سطحه، مع تركيز أعلى في نصف الكرة الجنوبي). من المحتمل أنها تشكلت من ماء سائل قبل أكثر من 100 مليون سنة، ثم دُفنت تحت الغطاء الجليدي. يواصل العلم مسيرته: هناك فرضيات متنافسة وملاحظات أخرى في انتظارنا.
الجليد المخفي والاحتياطيات المدفونة
كما كشف رادار شاراد تداخلات الرمل والجليد مع نسبة عالية جدًا من الماء (تصل إلى 90% ماء) على أعماق كبيرة تحت الغطاء الجليدي الشمالي. إذا ذاب كل هذا الجليد المدفون وانتشر عالميًامن المتوقع أن تُشكّل طبقةً بعمق متر ونصف على الأقل عبر المريخ. تُصنّفها بعض الدراسات كثالث أكبر خزان مائي على الكوكب، بعد الغطاءين الجليديين. وقد أيّد تحليل مستقلّ باستخدام بيانات الجاذبية وجودها.
تتناسب هذه الرواسب مع دورة تبادل الجليد بين القطبين وخطوط العرض المتوسطة، حيث تتصل بالأنهار الجليدية المدفونة التي تم تأكيد وجودها بالفعل في تلك المناطق. تشابه أعمار المجموعتين وهو يشير إلى مراحل مناخية واسعة (فرضتها الانحرافات) أدت إلى إعادة توزيع الجليد المائي بشكل منهجي على مدى ملايين السنين.
توازن المياه والخسارة الجوية
في كل شتاء على كوكب المريخ، يتجمد ما يقرب من 3 إلى 4 تريليون طن من ثاني أكسيد الكربون على الغطاء الجليدي في نصف الكرة المظلم. ما يعادل 12-16% من الكتلة الجويةوقد قامت المسبارات أيضًا بقياس اختلافات صغيرة في مجال جاذبية المريخ الناجمة عن هذا "الضخ" الموسمي للكتلة.
لقياس كمية فقدان الماء عبر التاريخ، تُعد نسبة الديوتيريوم إلى الهيدروجين (D/H) أداةً أساسية. في مياه المريخ الحالية، إن نسبة التخصيب بالديوتيريوم أعلى بكثير من تلك الموجودة على الأرض. (مُقاسةً بالبخار والجليد القطبي)، مما يُشير إلى فقدان الهيدروجين بشكلٍ تفضيلي في الفضاء بعد التفكك الضوئي بفعل الإشعاع الشمسي. تُقدّر الدراسات الحديثة أن المريخ فقد حجمًا يُعادل محيطًا عالميًا بعمق حوالي 137 مترًا، والذي كان سيُغطي حوالي 20% من سطحه (وخاصةً النصف الشمالي السفلي من الكرة الأرضية، في منطقة فاستيتاس بورياليس والسهول المجاورة).
هناك مياهٌ وراء القطبين. تشير بيانات النيوترونات الحرارية من جهاز رصد مونس على متن مركبة مارس أوديسي، والتي جُمعت على مدى 18 عامًا، إلى وجود الهيدروجين في أول مترين من باطن الأرض عبر مساحاتٍ واسعة. متوافق مع التربة الصقيعية الضحلة للغايةوتشير التقديرات الكلاسيكية من عصر الفايكنج بالفعل إلى أن التربة الصقيعية يبلغ سمكها ما بين 3 إلى 5 كيلومترات عند خط الاستواء وأكثر من 8 كيلومترات باتجاه القطبين، على الرغم من أن هذه الأرقام تعتمد على النموذج المعتمد.
إن هروب الهيدروجين الحالي الذي تم قياسه بواسطة بعثات مثل مافن غير كافٍ لتبرير كل الجفاف القديم، ولكن مناخ المريخ ليس ثابتًاتُظهر نماذج المناخ العالمي عالية الدقة (Mars-PCM) أنه خلال فترات الميلان الشديد (حتى ∵35 درجة)، يزداد الإشعاع الشمسي القطبي وقوة دورة الماء: يصل البخار إلى طبقات عالية، ويتفكك ضوئيًا، ويتسرب الهيدروجين بمعدلات تصل إلى 20 ضعفًا عن المعدلات الحالية. قد تُفسر هذه الظواهر، المتكررة على مدى دهور، فقدان عمود مائي عالمي يعادل حوالي 80 مترًا، وهو ما يقع ضمن نطاق تقديرات أدنى للمياه القديمة.
وتوفر العواصف الغبارية آلية أخرى: أبراج الحمل الحراري التي ترفع الرطوبة إلى أكثر من 80 كم خلال الأحداث الكبرى، يُسهّل التفكك الضوئي والتسرب. ورغم أن مساهمته السنوية تبدو متواضعة حاليًا، إلا أنها توضح كيف أن الدورة والغبار يُؤثّران على السطح والغلاف الجوي وفقدان الماء في الفضاء.
الرياح والسحب وديناميكيات الأخاديد الحلزونية
يمكن أيضًا قراءة "ساعة" القمم الجليدية من خلال أخاديدها الحلزونية. فالرياح الهابطة الباردة، التي تنحدر من المنحدرات، عند انحنائها بفعل تأثير كوريوليس، تحفر خنادق بجدران غير متماثلة عبر معظم القمم. ولكن ليس كل "الأحواض" تحكي نفس القصةوتظهر نسبة كبيرة منها أشكالاً متناظرة على شكل حرف "V" وغياب أي سحب مصاحبة لها، وهو ما يشير إلى مصادر أخرى للتآكل (أشعة الشمس، والذوبان/التسامي التفاضلي، والتغيرات في توتر الجليد) وحساسية أكبر لحالات مناخية محددة خلال ملايين السنين القليلة الماضية.
كشف تتبع السحب فوق الغطاء الجليدي لمدة 18 سنة أرضية عن مئات الحالات التي كانت فيها السحب موازية للأخاديد، وخاصة باتجاه مركز القطب الشمالي. حيث يتوقع المرء وجود السحب بسبب ديناميكيات الرياح، إلا أنها لا تظهرمن المرجح أن تلعب متغيرات أخرى (مثل خشونة التربة، واستقرار الغلاف الجوي، والرطوبة المتاحة) دورًا في ذلك. يُعد فهم العوامل المتحكمة في هذا التباين المكاني والزماني أمرًا أساسيًا لتفسير المناخ القديم وتحديد أولويات مناطق أخذ العينات المستقبلية.
إن الاهتمام ليس أكاديميًا فحسب: إذا تم البحث عن المياه المتاحة للمهام المأهولة، إن المناطق الأكثر تآكلًا على حواف القمم الجليدية ليست، في البداية، الخيار الأفضليمكن لمركبة مخصصة أن تقيس في الموقع بنية الأخاديد، والفيزياء الدقيقة للسحب، وطبقات طبقات الأرض، مما يغلق العديد من المجهول الذي فتحه الاستشعار عن بعد.
التأثيرات على العلوم والاستكشاف
يتركز الماء على المريخ في حالات وأماكن مختلفة للغاية: القمم الجليدية المائية مع تنفس ثاني أكسيد الكربون الموسمي، احتياطيات مدفونة ضخمة تحت طبقات من الرمال، وتربة صقيعية ضحلة واسعة، وربما مياه سائلة شديدة الملوحة تحت القطب الجنوبي (أو طين يحاكي بصماته الرادارية). هذا التوزيع لا يُشكل ماضي الكوكب الصالح للسكن فحسب، بل يُشكل أيضًا لوجستيات القواعد البشرية المستقبلية وتصميم البعثات الروبوتية.
يبدو أن بعض المياه البدائية "محجوزة" في المعادن الموجودة في القشرة الأرضية: إن استخراجه يتطلب تسخين كميات هائلة من الصخور.هذا غير عملي على المدى القصير. ومن هنا يأتي الاهتمام بالجليد المتاح (السطحي أو الضحل) وفهم كيفية تأثير التغيرات المدارية على توافره. وقد مهدت بعثات مارس إكسبريس، ومرصد المريخ/شاراد، ومافن، إلى جانب المركبات الجوالة، الطريق للعمل؛ وستتطلب العقود القادمة أجهزة أكثر دقة تحت السطح، وشبكات زلزالية قطبية، ونأمل أن تكون هناك رحلة استكشافية أولى إلى رواسب متعددة الطبقات.
تشكل القمم الجليدية القطبية على المريخ نظامًا حيًا على مقياس زمني جيولوجي قصير: فهي تتراكم وتفقد ثاني أكسيد الكربون والجليد بمعدل يمكن قياسه، كما أن الاختلافات الطفيفة في البياض تؤدي إلى حلقات تغذية مرتدة. الرياح تنحت اللوالب و "الجبن السويسري"ويكشف الرادار عن مكتبات مناخية مكدسة تحت السطح. يُكتب توازن الماء على المريخ بحبر الميلان والغبار وفيزياء الجليد؛ ولذلك، فإن دراسة القمم الجليدية ليست مجرد فضول قطبي، بل هي مفتاح فهم متى وكيف وأين كان المريخ أكثر رطوبة، وكمية المياه التي لا يزال يحتويها، والفرص التي يوفرها للعلم والاستكشاف البشري.
