Как образуется метан на Марсе

13:09 17 Ноябрь Киев, Украина

Более двадцати лет назад благодаря наземным наблюдениям и данным орбитального аппарата Марс-экспресс астрономы впервые зафиксировали метан на Красной планете. На Земле этот газ в основном вырабатывается живыми организмами, однако существуют и геологические процессы, которые могут его создавать. Откуда происходит метан на Марсе, остается неизвестным. Более того, дальнейшие исследования противоречили друг другу: некоторые инструменты фиксировали вспышки метана, некоторые лишь небольшое количество фонов, а некоторые вообще не находили никаких следов этого газа. Nauka.ua рассказывает о попытках планетологов решить эту загадку.

Где искать метан

Метан (СН4) – это органическая молекула, состоящая из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Этот бесцветный газ создает сильный парниковый эффект и в атмосферу Земли он попадает в основном благодаря биологическим процессам. В частности, метан может выделяться вследствие разложения органического вещества в осадочных породах. Кроме того, побочный продукт его производят из растительного вещества простые микробы, которые называются анаэробными метаногенными археями. Многие микроорганизмы живут в пищеварительных системах животных, особенно термитов и коров, и отвечают за метеоризм (кстати, о роли коров в глобальном потеплении мы писали здесь ).

Без участия живых организмов метан образуется в основном двумя путями: во время магматических процессов и реакций между водой, газами и породами. Важными источниками метана являются болота, вулканы, глубоководные термальные источники и отложения под антарктическим льдом и арктической мерзлотой. А еще метан выделяется при добыче угля и стал причиной многих трагедий на шахтах, ведь при определенных пропорциях образует взрывчатые смеси с воздухом.

В большинстве сред на Земле газы, возникающие в результате биотических и абиотических процессов, смешиваются и различить их трудно. И хотя исследователи уверены, что термитов или коров на Марсе точно нет, анаэробные микробы теоретически могут существовать. Однако, несмотря на то, что метан считается биомаркером, находка этого газа на Красной планете не может быть доказательством жизни на ней, ведь необходимо доказать , что все другие абиотические механизмы метана здесь невозможны.

Лаборатория Красной планеты

Атмосфера Марса разрежена и слабо защищена от воздействия ультрафиолетового излучения. В результате фотохимических процессов молекулы метана в такой среде могли бы просуществовать не более 340 лет. Таким образом, если этот газ до сих пор здесь присутствует, то постоянно пополняет его запасы. Так что его образует? В самом деле, до окончательного ответа на этот вопрос еще далеко, однако планетологи предлагают несколько теорий.

Источники метана могут находиться под поверхностью Марса. Да, он может формироватьсяв результате реакций между углекислым газом и водородом в процессе так называемой серпентинизации. Она происходит, когда породы, богатые включением минерала оливина, взаимодействуют с горячей водой. В результате образуется новый минерал, называемый серпентинит, и выделяется метан. Также этот газ может образовываться магматической дегазацией или вследствие термического разложения древнего органического вещества. На поверхность метан из подземных источников будет выходить через трещины. Еще одно возможное объяснение его происхождения состоит в том, что метан мог образоваться на Красной планете очень давно и оказаться "в ловушке" соединений включения или клатратов. То есть, вероятно, он просто застрял в других молекулах или веществах, которые теперь разрушаются и высвобождают этот газ.

На поверхности планеты также есть пути образования метана. Ультрафиолетовое излучение может не только уничтожать, но и генерировать его. К примеру, через взаимодействие с органическим материалом в пыли комет и метеоритов, попадающих на Марс.
 
 
Фото: Пути образования метана на Марсе
 


Однако у всех этих теорий есть свои слабые места. Уже не менее 10 миллионов лет на Марсе отсутствует активный вулканизм. Так, орбитальный аппарат Марс Одиссей, оборудованный специальным устройством для поиска горячих точек на поверхности планеты, не нашел ни одного участка, где температура отличалась бы по крайней мере на 50 Кельвинов от фонового значения. Подземные гидротермальные системы, если они существуют на Марсе, скорее всего, будут иметь комнатную температуру, при которой выделение метана малоэффективно. Удары комет, метеоритов и межпланетной пыли также производят лишь небольшую часть этого газа. А сохранение значительного количества органического вещества от вымершей макроскопической жизни, которая когда-то могла существовать на планете, маловероятно, учитывая строгие марсианские условия.

Кроме того, зафиксировать этот газ также непростая задача. Вышедший на поверхность метан может абсорбироваться обратно в реголит или быстро распространяться по планете с помощью атмосферной циркуляции. Поэтому определить точное место, в котором формируется соединение, очень сложно. Кроме того, важным регулятором количества метана на Марсе, скорее всего, пыль. В слое атмосферы ниже 10 км над поверхностью он присутствует в большом количестве, и при взаимодействии с зернами пыли сигнал метана будет теряться. Такие частые явления для Марса как сезонные бурые и пылевые смерчи будут только усиливать этот эффект.

Остается еще одна теория, очень привлекательная для астробиологов – образование метана в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Учитывая вредное космическое и ультрафиолетовое излучение, низкое давление и температуру, единственное место, где они могут существовать сейчас – под поверхностью планеты. Здесь, в марсианском реголите, присутствует жидкая вода и соли. Кроме того, под льдом южного полюса Марса, скорее всего, существуют большие соленые озера. Такие среды могут быть благоприятны для анаэробов-экстремофилов, среди которых могут быть и метаногены. Кстати, таким организмам не нужен кислород для дыхания, так что атмосфера Марса, которая в основном состоит из углекислого газа, для них подходит.

Марсианские хроники

Впервые марсианский метан был зафиксирован благодаря наземным наблюдениям с помощью телескопа CFHT в 1999 году, тогда его концентрацию в атмосфере планеты оценили в 10 частей в миллиард. Астрономы принялись следить за метаном на Красной планете, и в 2009 году группа исследователей опубликовала отчет по наблюдениям в течение трех марсианских лет (или семи земных). С помощью трех наземных телескопов ученые смогли исследовать около 90% поверхности планеты. Оказалось, что в 2003 произошла вспышка концентрации метана, его количество достигло 45 частей в миллиард. Кроме того, тогда астрономы смогли установить, что шлейфы метана происходят из трех расположенных поблизости точек: возвышенности Arabia Terra, борозд Nili Fossae и темного участка Syrtis Major.
 
 
Фото: Точки повышенной концентрации метана на Марсе в 2003 году
 


Исследователи вычислили, что основной шлейф содержал около 19 тысяч тонн метана и выпускал его со скоростью 0,6 килограмма в секунду. Это сравнительно со скоростью выделения этого газа в нефтяном месторождении в канале Санта Барбары, Калифорния. Однако уже весной 2006 года концентрация метана во всех трех шлейфах достигала всего 3 частей в миллиард. Таким образом, продолжительность существования метана в марсианской атмосфере в зависимости от условий оказалась от 4 земных лет до примерно 6 месяцев значительно меньше, чем ожидалось. Следовательно, существуют эффективные механизмы разрушения метана не только благодаря фотохимическим процессам.

Наблюдения с помощью орбитальных аппаратов также были противоречивыми. Спектрометр на борту зонда "Марс-экспресс" определил глобальный средний уровень метана в 2004-2010 годах в 15 частей на миллиард. А вот по данным аппарата Mars Global Surveyor, концентрация метана составляла от 5 до 60 частей в миллиард.

Вся надежда оставалась на наблюдении на поверхности Марса, которые должен был провести ровер Кьюриосити, но и здесь планетологам не повезло. В 2012 году марсоход высадился в кратере Гейла и приступил к исследованиям. Уже более восьми лет спектрометр TLS-SAM фиксирует периодические выбросы метана, когда его количество увеличивается до 20 частей на миллиард выше низкого устойчивого фонового уровня. Кроме того, астрономы увидели сезонные колебания фонового уровня приповерхностного метана (от 0,25 до 0,65 частей в миллиард). Такая цикличность, по мнению исследователей, связана с эффективностью поглощения метана почвой или пылью, которая в свою очередь зависит от температуры.

В июне 2013 года, когда Кьюриосити впервые зафиксировал вспышку, аппарат Марс-экспресс также увидел увеличение метана с орбиты (до 15,5 частей на миллиард). Потенциальный источник, по определению исследователей, находился восточнее кратера, в котором находился ровер. Однако другой орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas Orbiter в 2019 году обнаружил совсем другую картину. По его данным, метана в атмосфере Марса нет: его максимальное фоновое количество может составлять 0,05 частей в миллиард. Это в 100 раз меньше, чем зафиксировано другими орбитальными аппаратами, и в 10 раз меньше, чем обнаружил в кратере Кьюриосити. Такое количество можно сравнить с щепоткой соли, растворенной в бассейне для Олимпийских соревнований.

В низших слоях атмосферы Марса происходят интенсивные конвективные движения, из-за чего любой газ, находившийся у поверхности, поднимается выше обычно на высоту от 6 до 10 километров. Там уже глобальная циркуляция перемещает газы вертикально и горизонтально вокруг планеты. Таким образом, глобальное равномерное распределение метана в атмосфере должно произойти во временном диапазоне от 2 до 3 месяцев. И даже в крайне маловероятном случае, когда кратер Гейла является единственным источником метана на Марсе, полученные Trace Gas Orbiter данные все равно нельзя объяснить.

Авторы исследования делают вывод: либо на Марсе существует некоторый механизм, полностью устраняющий метан из нижних слоев атмосферы в тысячи раз быстрее, чем любые известные химические процессы, либо в предварительных измерениях допущена ошибка. Некоторые ученые даже выдвинули предположение, что метан, который фиксировал марсоход, выпускал сам велосипед.

Впрочем, благодаря тщательным проверкам астрономы склонны считать, что данные Кьюриосити все же верны. Последняя работа , опубликованная в конце июня 2021 г., дает возможный ответ на то, почему результаты исследований марсохода и Trace Gas Orbiter настолько отличаются.

Дело в том, что до декабря 2019 года все измерения ровер производил около полуночи по марсианскому времени. Это связано с тем, что такие процедуры требуют много энергии, поэтому их пытались выполнять, когда другие инструменты «Кьюриосити» не работают. А вот Trace Gas Orbiter использует технику, при которой его инструменты наблюдают поглощение спектра в атмосфере Марса во время закатов и рассветов. Чтобы проверить, не кроется ли в этом причина разногласий данных, исследователи впервые решили использовать инструменты «Кьюриосити» днем.

Действительно, оказалось, что при свете Солнца Кьюриосити фиксирует фоновую концентрацию метана в 0,05 частей на миллиард (тогда как ночью это значение равно 0,5 частей на миллиард). Объяснить такую разницу в течение суток можно изменением состояний нижних слоев атмосферы. Пропитывающийся из-под поверхности метан ночью накапливается возле нее, ведь циркуляция в это время не столь интенсивна. Именно поэтому «Кьюриосити» фиксирует относительно высокие фоновые значения. Когда тепло от Солнца нагревает атмосферу, теплый воздух поднимается выше, а холодный опускается. Таким образом, удерживавшийся у поверхности ночью метан днем перемешивается с другими газами атмосферы, поэтому его концентрация значительно падает, и ни наземные, ни орбитальные аппараты его уже не фиксируют.

Впрочем, такая версия все еще не полностью вписывается в картину наблюдаемую планетологами. Если кратер Гейла не единственное место выхода метана на поверхность, этот газ должен годами накапливаться в атмосфере до уровней, когда Trace Gas Orbiter все же мог бы его зафиксировать. Поэтому для объяснения такой низкой концентрации этого газа все еще необходим механизм его разрушения, что справляется с этой задачей быстрее ультрафиолетового излучения. Что за механизм, астрономы еще только должны узнать.