La atmósfera, a pesar de ser una capa delgada y relativamente liviana respecto al resto de los elementos constituyentes de los planetas, es quizá el factor más importante en cuanto a la configuración de sus condiciones ambientales. Constituye la envoltura que media la interacción entre la energía procedente de la estrella central y su superficie, gran parte de la cual impulsa los procesos físicos y fotoquímicos definidores de dichas condiciones. Además, su carácter fluido hace que en su seno se produzca una amplia variedad de procesos físicos y químicos manifestados en una constante redistribución de compuestos atmosféricos y una cambiante variedad de complejas configuraciones en las que se ajusta el balance global de energía.

Por otra parte, la composición de la atmósfera de un planeta en un momento de su historia es el resultado de la interacción entre los materiales primigenios que se agregaron para formarlo y su evolución geoquímica (geobioquímica en el caso de la Tierra), dinámica y fotoquímica posterior, evolución que puede ser reconstruida hacia el pasado ofreciendo también una perspectiva histórica de enorme interés científico. Conocer la atmósfera es, por todo ello, crucial en el desarrollo de los estudios planetológicos.
Pero además, y desde un punto de vista de la astrobiología, la atmósfera, como capa exterior observable, resulta clave a la hora de plantear cualquier investigación enmarcada en esta disciplina: se trata de uno de los factores de habitabilidad más determinantes de cualquier cuerpo y, además, constituye el ámbito en el que se podría rastrear la existencia de cualquier biosfera (superficial o no)  gracias a su condición de vertedero necesario y último de ciertos desechos metabólicos.
La misión Mars Science Laboratory (MSL), actualmente operando en Marte a través del vehículo Curiosity, tiene como objetivo básico evaluar el potencial de habitabilidad, pasada y presente, de la zona de estudio, el cráter de impacto Gale. Situado cerca del ecuador marciano, este cráter ha sido seleccionado como área de aterrizaje por mostrar, entre otras cosas, inequívocas evidencias, tanto morfológicas como mineralógicas, de que en el pasado contuvo agua líquida en abundancia, un requisito considerado imprescindible en cualquier entorno que merezca ser incluido en la categoría de habitable. La misión analiza también los procesos planetarios relevantes para la habitabilidad del planeta y su evolución histórica, entre los que la dinámica atmosférica juega un papel muy importante. Para conseguirlo, Curiosity cuenta entre sus instrumentos con REMS (Rover Environmental Monitoring Station), una estación meteorológica española compuesta por seis sensores que miden la temperatura del aire (ATS) y del suelo (GTS), la presión atmosférica (PS), la velocidad y dirección del viento (WS), la humedad relativa del aire (HS) y la radiación ultravioleta incidente (UVS), todos ellos nombrados por sus siglas en inglés. Las medidas del sensor ultravioleta son muy útiles para definir procesos fotoquímicos en la atmósfera marciana, y por supuesto para estimar la habitabilidad superficial de Marte, pero además contribuirán a establecer una valoración preliminar de la posibilidad de plantear el envío futuro de misiones tripuladas, que se afrontará más decididamente en la próxima misión que la NASA tiene previsto lanzar en 2020 como continuación de su ambicioso Plan de Exploración de Marte.
Todos los sensores de REMS miden, de forma simultánea, diaria y autónoma, al menos durante cinco minutos de cada hora. A esto se suman una o varias horas de medida continua adicional que pueden ser fijadas libremente en función de los intereses científicos que se planteen en cada momento. Desde la llegada de Curiosity a la superficie de Marte en agosto de 2012, los sensores de REMS han estado recabando datos que contribuirán decisivamente a profundizar en el conocimiento de la meteorología y climatología marcianas y a determinar la habitabilidad del planeta.
Sin embargo, y sobre el enorme esfuerzo tecnológico que supone enviar un vehículo como Curiosity hasta la superficie de otro planeta, su mera puesta en funcionamiento una vez allí no supone más que un primer paso hacia los objetivos mencionados, puesto que la utilidad de los datos crudos que empieza a recabar no es directa y, como veremos más adelante, requiere un concienzudo análisis en función de una larga serie de factores. Estos factores vienen impuestos en gran medida por la propia situación del instrumento sobre una base móvil y caliente que introduce perturbaciones en las medidas, haciendo necesario un trabajo de interpretación previo a su validación inequívoca y a su posterior explotación científica. El diseño de algoritmos y protocolos de tratamiento de datos es una tarea básica y cotidiana de las investigaciones propiciadas en torno a REMS (así como al resto de instrumentos con los que está equipado Curiosity). La movilidad del Curiosity y su disponibilidad operacional hacen que el trabajo de programación diaria de medidas sea igualmente un trabajo delicado, teniendo en cuenta además la necesidad de coordinarlas con las del resto de la instrumentación para aprovechar de forma óptima todas las posibilidades que ofrece.

Avance en la exploración marciana

REMS presenta una serie de innovadoras características respecto de otros instrumentos anteriormente utilizados para caracterizar el entorno marciano que suponen sin duda algunas decisivas ventajas, pero que no dejan de presentar también ciertos inconvenientes con los que el equipo de investigación encargado de sus operaciones y de la explotación de sus datos debe enfrentarse a diario. De entrada, está montado en una plataforma móvil, lo que posibilita la monitorización de la evolución diurna de variables ambientales en los diferentes lugares por los que transita el vehículo que, a diferencia de lo habitual en otras misiones anteriores equipadas con instrumentos meteorológicos, presentan una notable variabilidad topográfica. Además, es capaz de realizar observaciones simultáneas y rutinarias a través de todos sus sensores, lo que permite una interpretación coherente de los procesos que tienen lugar en la capa límite atmosférica (la capa inferior de la atmósfera en interacción directa con el suelo). En el tiempo transcurrido desde su puesta en funcionamiento y gracias a estas peculiares características, REMS ha proporcionado interesantes hallazgos que abren nuevas vías a seguir en posteriores estudios de la atmósfera marciana. Resulta destacable que la medida de radiación ultravioleta que realiza es el primer registro in situ de la radiación incidente sobre la superficie de otro planeta.

Algunos resultados de REMS

Las mediciones del sensor de presión (PS) permiten observar ciclos de variación en diversas escalas temporales: anuales, estacionales y diarios. REMS ha medido una oscilación de hasta un 12% en torno a la media diaria, una variación debida a la topografía y sensiblemente mayor que la registrada por instrumentos en misiones anteriores. En escalas temporales aún menores se han registrado caídas de presión de entre diez y veinte segundos, más frecuentes en torno al mediodía y acompañadas de elevaciones de temperatura y cambios en la velocidad y dirección del viento que corresponden a vórtices convectivos. Durante los mismos no se aprecia habitualmente disminución en los valores de radiación ultravioleta, por lo que se deduce que son demasiado débiles para levantar cantidades significativas de polvo, cuya presencia produciría un oscurecimiento momentáneo apreciable por el sensor ultravioleta. No se trata por lo tanto de los típicos remolinos de polvo (dust devils) que se aprecian en otras localizaciones y que han sido extensamente registrados. La larga duración de la misión, al menos un año marciano (dos años terrestres), permite además establecer un patrón estacional de la incidencia de estos remolinos, que de momento se ha mostrado decreciente en el paso del verano al invierno.
Las medidas de presión obtenidas hasta el momento son consistentes con el ciclo del CO2 animado por la sublimación y condensación de los casquetes polares, y han permitido constatar, en comparación con las obtenidas por las sondas Viking 1 y Viking 2, una llegada más temprana del invierno y una duración menor de este en el hemisferio norte. Se ha registrado además una notoria oscilación en los valores de presión media que se atribuye a inestabilidad en las células de Hadley, extremo que requerirá una especial atención científica.
Con los datos de humedad relativa facilitados por el sensor HS se ha tratado de establecer la pauta del ciclo hidrológico marciano, en periodo diurno y estacional, mediante el cálculo de la relación de mezcla en la atmósfera a partir de la temperatura del aire registrada por el sensor de temperatura del aire (ATS). Suponiendo una atmósfera de composición homogénea, se ha utilizado la relación de mezcla para estimar la abundancia de vapor de agua en la columna de aire, obteniéndose unos valores más altos que los adelantados por otros instrumentos anteriores como Thermal Emission Spectrometer (TES, a bordo de Mars Global Surveyor) y Mini-TES (montado en los Mars Exploration Rovers). No obstante, el cálculo de la cantidad de agua que debe ser absorbida en la superficie a partir de los datos de humedad relativa recabados por REMS sí cuadra con los valores deducidos de las medidas de otros instrumentos del propio Curiosity, lo que apunta a una mejor adecuación de los datos de REMS relativos a este parámetro.
Se ha caracterizado el flujo hidrostático de ajuste que se genera como consecuencia de las variaciones diarias de temperatura y su desfase con los máximos y mínimos de presión atmosférica (se observa un lapso de aproximadamente una hora y media entre el máximo y mínimo de presión y la salida y puesta del sol). Este flujo, influenciado de nuevo por la orografía del lugar, se manifiesta en movimientos cíclicos de masas de aire hacia y desde el interior del cráter, y amplifica las oscilaciones de las mareas termales haciendo que las variaciones sean más acusadas que en topografías menos irregulares.
Los datos son tratados en relación con diversos modelos atmosféricos de circulación general y mesoescala (escalas medias) para perfeccionar el conocimiento de la dinámica físico química de las atmósferas en general, tanto a escala global como regional, que permitirán además avanzar en el conocimiento de nuestra propia atmósfera y de su evolución. La comparación con simulaciones es de la mayor importancia considerando que la interpretación de las medidas de un instrumento como REMS está inevitablemente dificultada por la carencia de un contexto espacial de referencia. Los resultados de las simulaciones, una vez validados y contrastados con las observaciones, proporcionan ese contexto interpretativo para un análisis más esclarecedor. Los modelos mesoescala preveían la existencia de vientos catabáticos (que descienden hacia el seno de la atmósfera) asociados a las pendientes del cráter y de su monte central, el monte Sharp, que han resultado coherentes con los fenómenos descritos a partir de las mediciones de REMS, en las que además parece observarse la existencia de dos masas de aire diferenciadas en el fondo del cráter y en el altiplano con dinámicas independientes. La confirmación de este fenómeno es una línea de investigación de especial trascendencia por sus implicaciones para el estudio del ciclo del agua en el interior del cráter.
Complementariamente, los resultados obtenidos en la exploración de la atmósfera de Marte a través de REMS contribuirán al desarrollo de modelos fotoquímicos y de transferencia radiativa que propiciarán una mejor interpretación de los espectros de planetas extrasolares registrados en lo sucesivo con los nuevos instrumentos de detección remota.
En el aspecto operacional, REMS ha observado fluctuaciones térmicas nocturnas correlacionadas con caídas de presión y viento que son muy significativas para ponderar en lo sucesivo valores de temperatura del suelo obtenidas desde orbitadores, y ha registrado con precisión el contraste térmico que se produce entre las zonas iluminadas y en sombra en la propia plataforma, permitiendo estimar la contaminación térmica que provoca en el aire a su alrededor. La identificación y caracterización de este efecto será clave en el diseño de futuras misiones y en la correcta valoración de sus datos, así como en el tratamiento de los recabados hasta ahora por otras sondas.
En este sentido, cabe destacar otra de las peculiaridades de Curiosity, que además de ser una plataforma móvil está notablemente caliente respecto a su entorno. Esto se debe al generador térmico de radioisótopos (RTG) que le sirve de fuente de energía y que eleva la temperatura del vehículo doscientos grados centígrados por encima de la media ambiental y lo convierte en el punto más caliente sobre la superficie de Marte. El RTG eleva la temperatura tanto del aire en contacto con él como del suelo a su alrededor, donde los sensores correspondientes toman sus medidas; además, esta enorme plataforma metálica absorbe la radiación del Sol y se sobrecalienta, induciendo la formación de una película de aire caliente que envuelve al Curiosity y que afecta a las medidas de los sensores de temperatura.
Por otro lado, el propio calentamiento inducido por el funcionamiento de la electrónica de los instrumentos en las gélidas noches marcianas, con temperaturas de menos de sesenta grados bajo cero, también induce perturbaciones térmicas que alteran, entre otras, las medidas crudas del sensor de humedad relativa. Estos son algunos ejemplos de artefactos inducidos por la propia instrumentación y la plataforma que deben corregirse. En el caso del sensor de temperatura del aire esta distorsión es crítica, puesto que opera desde el interior del volumen de aire calentado por el propio vehículo; para asegurar que sus medidas reflejan realmente la temperatura de la atmósfera marciana, ha sido necesario diseñar un modelo de su comportamiento térmico y un protocolo específico para calibrar las lecturas obtenidas, discernir los momentos en que cada parte del vehículo está expuesto al Sol o en sombra y discriminar los valores debidos a la contaminación provocada por el calor del vehículo.
En cuanto a la temperatura del suelo, también hay que desestimar la aportación térmica de Curiosity, que evidentemente aumenta con el tiempo cuando está parado operando en un determinado lugar, aunque en este caso la contaminación tiene un aspecto provechoso porque, contrastada con las medidas que se toman cuando el vehículo se mueve, ayuda a estimar cómo de rápido se eleva su temperatura bajo una fuente de calor, un dato valioso para identificar los materiales que lo componen. Para la correcta interpretación de las medidas de este sensor hay que manejar además información adicional sobre el tamaño y la orientación de los elementos dispuestos sobre el terreno delante del campo de medición del sensor.
Las lecturas del sensor ultravioleta, situado en la plataforma superior del vehículo, no se ven afectadas por el calor, pero presentan sus propios problemas particulares derivados de la movilidad de la plataforma y de la meteorología marciana. Así, deben ponderarse no solo en relación a la posición del Sol, sino que están mediatizadas por la presencia de polvo en suspensión (opacidad de la atmósfera), que además se va depositando sobre los fotodiodos que lo integran. Esta deposición se ha minimizado con el montaje alrededor de cada uno de ellos de un anillo imantado que atrae el polvo en su caída, dado que está compuesto en gran medida de partículas de hierro magnéticas. Pero esta precaución solo sirve como paliativo, y cierta cantidad acaba sobre los fotodiodos, imponiendo una continua calibración de los datos que registra en función de su estado, deducido otra vez de las imágenes tomadas por las cámaras. Estas, por otro lado, van montadas en el extremo superior de un mástil vertical, que en ciertas orientaciones puede proyectar sombra sobre los fotodiodos desvirtuando sus medidas, y también hay que conocer en todo momento la posición del vehículo, puesto que la inclinación que puede tomar al disponerse sobre algunas irregularidades del terreno cambia el ángulo de incidencia de la radiación y por tanto su valor.
Después de su validación, los datos que recaba REMS pasan a engrosar los registros públicos del Planetary Data System de la NASA para su consulta por cualquier equipo científico que los requiera.
En junio de 2014, cuando la misión nominal de MSL se dé por finalizada (quedando abierta la posibilidad de ampliar su periodo de operatividad), REMS habrá proporcionado a la comunidad científica el más extenso volumen de datos ambientales de Marte recabados hasta ahora. Además, las tareas científicas realizadas en torno a su tratamiento supondrán un avance en la caracterización más precisa de la atmósfera, radiación y geología marcianas y sentarán una serie de criterios de obligada referencia en el diseño y operación de otros instrumentos en futuras misiones, aparte de haber contribuido decisivamente al logro de los objetivos inicialmente planteados.

CURIOSITY/REMS: IMPLICACIONES EN LA HABITABILIDAD

A través de REMS y del resto de los instrumentos montados en Curiosity se ha esbozado un cuadro del entorno en la zona estudiada para definir su potencial de habitabilidad (HP) desde una perspectiva histórica. Para ello se han analizado los datos obtenidos en relación a los requerimientos medioambientales necesarios para el sostén de la vida bacteriana conocida, la única referencia disponible.
Desde un punto de vista químico, se ha encontrado que los materiales de la superficie incluyen en su composición todos los elementos utilizados por la vida, es decir, carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, así como los denominados oligoelementos: magnesio, hierro, silicio, cloro litio y bromo. El instrumento SAM (Sample Analysis at Mars), un laboratorio para analizar los componentes químicos de muestras de suelo y atmósfera, ha detectado además en las muestras de roca analizadas volátiles como H2O, CO2, SO2, O2, H2, H2S, HCl y NO, que son metabólicamente provechosos y configuran unas condiciones redox (reducción-oxidación) más confortables para la vida que las de la superficie. El instrumento DAN (Dinamyc Albedo of Neutrons), que hace una prospección del suelo hasta sesenta centímetros de profundidad, ha registrado datos de la presencia de agua en una cantidad de entre el 2% y el 3% en peso, aunque la temperatura no permite su permanencia líquida en la superficie, y los datos de REMS arrojan una baja humedad atmosférica, por lo que no hay constancia de que se produzca un intercambio significativo de agua entre el suelo y la atmósfera. Los características físicas del entorno (temperatura, porosidad y permeabilidad de los materiales, radiación ionizante incidente, flujo de luz solar etc), sin embargo, han resultado más inhóspitas. Las condiciones térmicas son hostiles tanto por sus valores como por la amplia oscilación de estos (entre -85ºC y en torno a 0ºC), cuando el mínimo que puede soportar el más resistente de los organismos conocidos es de -18ºC. La radiación ionizante incidente sobre la superficie medida por el Radiation Assessment Detector (RAD), que detecta rayos cósmicos y partículas energéticas procedentes del Sol, adquiere unos valores medios de setenta y seis miligrays por año, que también excede la tolerancia de los organismos mejor adaptados a este factor.
Evolución figurada de Marte desde un pasado húmedo (D. Ballard).
Todo esto hace que la superficie marciana del interior del cráter Gale, si bien tuvo probablemente un alto potencial de habitabilidad cuando el agua corría sobre ella al calor de una atmósfera densa, sea en la actualidad un entorno poco adecuado para albergar vida, al menos vida como la que se conoce en la Tierra. No obstante, cabe señalar que las condiciones subsuperficiales todavía podrían ofrecer un panorama algo más propicio, como sería el caso de ciertos tipos de rocas oscuras que podrían alcanzar temperaturas decenas de grados más altas que las de la superficie. Por supuesto, este análisis no puede llevar a excluir taxativamente la posibilidad de que exista vida adaptada a algunos entornos marcianos, pero es en cambio útil de forma inmediata para ponderar el riesgo, que se muestra cierto, de que se pueda producir algún tipo de contaminación biológica con organismos terrestres aportados en posteriores misiones de exploración.