[논문 리뷰] 3-D Global modelling of the early martian climate under a dense CO2+H2 atmosphere and for a wide range of surface water inventories

Martin Turbet, F. Forget|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 18.

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한 줄 요약

이 연구는 조밀한 CO₂+H₂ 대기를 가진 초기 화성에서 3차원 글로벌 기후 모델링을 사용하여 기후를 시뮬레이션하며, H₂와 CO₂의 Greenhouse 따뜻함이 조정된 지형과 수자원을 고려할 경우 관측된 협곡 네트워크와 충돌 craters의 호수와 일치하는 강수 패턴과 유역을 생성할 수 있음을 보여준다. 결과적으로 CO₂+H₂는 초기 화성 기후의 따뜻함과 유역 활동을 가능하게 하는 타당한 메커니즘으로 지지된다.

ABSTRACT

CO2+H2 greenhouse warming has recently emerged as a promising scenario to sufficiently warm the early martian surface to allow the formation of valley networks and lakes. Here we present numerical 3-D global climate simulations of the early martian climate that we have performed assuming dense CO2+H2 atmospheres. Our climate model, derived from earlier works by Forget et al. (2013) and Wordsworth et al. (2013), is coupled to an asynchronous model of the long-term evolution of martian glaciers and lakes. Simulations were carried out at 40° obliquity to investigate how (i) water content and (ii) H2 content (added to 1 or 2 bars of CO2) can shape the climate and hydrologic cycle of early Mars. We show that the adiabatic cooling mechanism (Wordsworth et al. 2013) that leads to the accumulation of ice deposits in the southern highlands in cold climate (the so called 'icy highland scenario') also works in warm climates, with impact crater lakes acting as the main water reservoirs. This produces rainfall mainly localized in the southern highlands of Mars. If one adjust (i) the amount of CO2 and H2, (ii) the size and location of the water reservoirs, and (iii) the ancient topography (i.e. by removing Tharsis), the spatial patterns of surface runoff (from rainfall or snowmelt) in the simulations can match -- with a few exceptions -- the observed distribution of valley networks and impact crater lakes. Although our results are obtained for CO2-dominated atmospheres enriched with H2, they should also apply to assess the impact of any combination of powerful long-lived greenhouse gases on early Mars.

연구 동기 및 목표

• 초기 화성의 노아시 협곡 네트워크와 호수 형성과 일치하는 기후 조건을 CO₂+H₂ 온실 따뜻함이 제공할 수 있는지 조사하기 위해.
• 표면 수자원 보유량과 H₂ 농도가 글로벌 수문 순환과 강수 패턴에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 고대 지형, 특히 타르시스의 부재가 유역 분포와 호수 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• CO₂+H₂에 의해 유도되는 따뜻하고 습한 기후가 화성 표면에서 관측된 유역 특성의 공간 패턴을 재현할 수 있는지 확인하기 위해.
• 대기 탈출과 반사율 피드백과 같은 요인에도 불구하고 H₂가 장기간에 걸쳐 액체 수분을 유지하는 데 유리한 Greenhouse 기체로 작용할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• Forgó et al. (2013)과 Wordsworth et al. (2013)의 연구에서 유도된 3차원 글로벌 기후 모델을 사용하였으며, 초기 화성 조건에 맞게 수정하였다.
• 기후 모델을 장기 빙하기 및 호수의 진화를 시뮬레이션하는 비동기 모델과 결합하여 수자원 저장소의 동역학을 모의하였다.
• CO₂ 농도(1–2 bar)와 H₂ 농도(최대 100 mbar)를 변화시키며, 40° 경사각 조건에서 기후 반응을 탐색하였다.
• Turbet et al. (2020a)에서 제공한 CO₂+H₂의 재정비된 충돌 유도 흡수(CIA) 데이터를 사용하여 복사 전달 정확도를 향상시켰다.
• 유역과 강수 패턴에 대한 민감도를 시험하기 위해 표면 수자원 분포와 지형(예: 타르시스 제거)을 조정하였다.
• 지질학적 제약 조건과 비교하여 모델 출력 결과를 평가하였으며, 이는 협곡 네트워크 위치, 크레이터 호수 분지, 폐쇄형과 개방형 분지 호수 분포를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO₂+H₂ 온실 따뜻함이 초기 화성에서 액체 수분 유동을 가능하게 할 정도로 충분한 표면 온도를 제공할 수 있는가?
• RQ2 다양한 수자원 보유량과 H₂ 농도가 강수와 유역의 공간 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 조정된 고대 지형(예: 타르시스 이전 상태)이 시뮬레이션된 유역 패턴을 관측된 협곡 네트워크와 얼마나 잘 일치시킬 수 있는가?
• RQ4 왜 시뮬레이션에서 크레이터 호수가 고원 지역에서 과도하게 넘쳐나는가? 이는 관측된 폐쇄형 분지 호수가 더 많다는 사실과 모순된다.
• RQ5 ice 반사율 피드백과 적도 지역의 빙하기 패러독스가 유역 활동을 유지하기 위해 필요한 H₂ 수준에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이전에 차가운 기후와 연관되어 있던 등온 냉각 메커니즘이 따뜻한 CO₂+H₂ 기후에서도 작동하여 남부 고원 지역에 얼음이 축적됨을 보여주었다.
• 강수는 주로 남부 고원 지역에 국한되어 있으며, 따뜻한 시뮬레이션에서는 충돌 크레이터 호수가 주요 수자원 저장소로 작용한다.
• 조정된 CO₂(1–2 bar), H₂(최대 100 mbar), 지형(예: 타르시스 없음) 조건에서 유역 패턴이 관측된 협곡 네트워크와 호수 분포와 거의 일치하며, 소수의 예외를 제외하고는 일치한다.
• 마르가리티페르 시누스 근처 협곡 네트워크의 존재는 타르시스가 협곡 네트워크 형성 이후에 발달했다는 가정과 일치한다.
• 헬라 분지에 해양이 형성되지 않았다는 가정을 통해 노아시스 테라 지역과 같은 지역에서 협곡 네트워크가 관측되지 않는 현상이 설명된다.
• 고원 지역에서의 높은 강수량은 크레이터 호수의 빈번한 과도를 초래하며, 이는 폐쇄형 분지 호수가 더 많았다는 지질학적 관측과 모순된다.