Mars heeft twee geluidssnelheden

Op Mars hangt de snelheid van het geluid af van de toonhoogte.

Alle geluid reist langzamer door de lucht van Mars dan die van de aarde. Maar de hogere klanken van een laser die rotsen zapt reist iets sneller in de dunne atmosfeer van Mars dan het lagere gezoem van de Ingenuity-helikopter, rapporteren onderzoekers 1 april in Natuur.

Deze geluidssnelheidsmetingen van NASA’s Perseverance-rover maken deel uit van een bredere inspanning om van minuut tot minuut veranderingen in atmosferische druk en temperatuur te volgen, zoals tijdens windstoten, op de Rode Planeet.

“De wind is voor ons het geluid van de wetenschap”, zegt astrofysicus Baptiste Chide van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico.

Om naar de wind te luisteren, heeft Perseverance twee microfoons bij zich. Een daarvan was bedoeld om audio op te nemen tijdens de complexe binnenkomst, afdaling en landing van de missie, en hoewel het niet werkte zoals gehoopt, wordt het nu af en toe ingeschakeld om naar de vitale functies van de rover te luisteren (SN: 22-2-21; SN: 17-2-21). De andere microfoon maakt deel uit van het SuperCam-instrument van de rover, een op de mast gemonteerde mengelmoes van camera’s en andere sensoren die worden gebruikt om de eigenschappen van materialen op het oppervlak van de planeet te begrijpen.

Maar deze microfoons pikken ook andere geluiden op, zoals die van de rover zelf terwijl zijn wielen over het oppervlak knarsen, en van de vliegende metgezel van Perseverance, de robothelikopter Ingenuity. Het SuperCam-instrument heeft bijvoorbeeld een laser, die Perseverance op interessante rotsen afvuurt voor verdere analyse (SN: 7/28/20). De microfoon op SuperCam vangt geluiden van die laserschoten op, waardoor onderzoekers meer te weten komen over de hardheid van het doelmateriaal, zegt planetaire wetenschapper Naomi Murdoch van het Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace in Toulouse, Frankrijk.

Murdoch, Chide en hun collega’s luisterden naar het klik-klak van de laser bij het zappen van stenen. (“Het doet niet, echt, ‘pew pew'”, zegt Murdoch). Wanneer de laser een doel raakt, veroorzaakt die ontploffing een geluidsgolf. Omdat wetenschappers weten wanneer de laser afvuurt en hoe ver een doel verwijderd is, kunnen ze de snelheid meten waarmee die geluidsgolf door de lucht naar de SuperCam-microfoon gaat.

De snelheid van dit geluid is zo’n 250 meter per seconde, meldt het team. Dat is langzamer dan op aarde, waar geluid met ongeveer 340 m/s door de lucht reist.

De lagere snelheid is niet verrassend. Wat we als geluid horen, zijn eigenlijk drukgolven die door een medium zoals lucht reizen, en de snelheid van die golven hangt af van de dichtheid en samenstelling van het medium (SN: 10/9/20). De atmosfeer van onze planeet is 160 keer zo dicht als de atmosfeer van Mars, en de lucht van de aarde bestaat voornamelijk uit stikstof en zuurstof, terwijl de lucht van Mars voornamelijk uit koolstofdioxide bestaat. Dus geluid op Mars reist langzamer in die andere lucht.

Het team gebruikte ook de SuperCam-microfoon om te luisteren naar de lagere werveling van Ingenuity’s helikopterbladen (SN: 12/10/21). Uit dit lagere geluid leerden de onderzoekers dat er een tweede geluidssnelheid is aan het oppervlak van Mars bij frequenties onder 240 hertz, of iets dieper dan de middelste C op een piano: 240 m/s.

Aan het aardoppervlak daarentegen beweegt geluid zich met slechts één snelheid door de lucht, ongeacht de toonhoogte. De twee snelheden op Mars zijn volgens de onderzoekers te wijten aan de koolstofdioxide-rijke atmosfeer. Kooldioxidemoleculen gedragen zich anders ten opzichte van elkaar wanneer geluidsgolven met frequenties boven 240 hertz door de lucht bewegen in vergelijking met die onder 240 hertz, waardoor de snelheid van de golven wordt beïnvloed.

“We hebben bewezen dat we wetenschap kunnen bedrijven met een microfoon op Mars”, zegt Chide. “We kunnen doen goed wetenschap.”

De SuperCam-microfoon legt duizenden geluidsfragmenten per seconde vast. Die geluiden worden beïnvloed door luchtdruk, dus de onderzoekers kunnen die akoestische gegevens gebruiken om gedetailleerde veranderingen in luchtdruk over korte tijdschalen te volgen, en zo meer te weten te komen over het klimaat op Mars. Terwijl andere Marsrovers wind-, temperatuur- en druksensoren hadden, konden die veranderingen alleen gedurende langere perioden waarnemen.

“Luisteren naar geluiden op een andere planeet is een andere manier die ons allemaal helpt om onszelf te plaatsen alsof we daar zijn”, zegt Melissa Trainer, een planetaire wetenschapper bij NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die geen deel uitmaakte van dit werk .

Het team richt zich vervolgens op het verzamelen van akoestische gegevens op verschillende tijdstippen van de dag en verschillende seizoenen op Mars.

“De druk verandert het hele jaar door met de seizoenen veel op Mars”, zegt Trainer. “Ik ben erg enthousiast om te zien hoe de gegevens kunnen veranderen naarmate deze in de loop van de volgende seizoenen worden verzameld.”