Астрономія
Астрономія

Своя атмосфера. Що ми знаємо про метан на Марсі

Більше двадцяти років тому завдяки наземним спостереженням та даним орбітального апарата «Марс-експрес» астрономи вперше зафіксували метан на Червоній планеті. На Землі цей газ в основному виробляється живими організмами, однак існують і певні геологічні процеси, які можуть його створювати. Звідки ж походить метан на Марсі, лишається невідомим. Більше того, подальші дослідження суперечили одне одному: деякі інструменти фіксували спалахи метану, деякі лише невелику фонову кількість, а деякі взагалі не знаходили жодних слідів цього газу. Nauka.ua розповідає про спроби планетологів розв’язати цю загадку.

RocketLawyer

RocketLawyer

Де шукати метан

Метан (СН4) — це органічна молекула, що складається з одного атому вуглецю та чотирьох атомів водню. Цей безбарвний газ створює сильний парниковий ефект, і в атмосферу Землі він потрапляє в основному завдяки біологічним процесам. Зокрема, метан може виділятися внаслідок розкладання органічної речовини в осадових породах. Крім того, як побічний продукт його виробляють з рослинної речовини прості мікроби, які називаються анаеробними метаногенними археями. Багато з цих мікроорганізмів живуть в травних системах тварин, особливо термітів та корів, та відповідають за метеоризм (до речі, про роль корів у глобальному потеплінні ми писали тут).

Methanopyrus kandleri, вид метаногенних археїв. Цей організм гіпертермофіл, тобто він може зростати та розмножуватися лише за дуже високих температур. Вперше його відшукали на стінці глибоководного гідротермального джерела у Каліфорнійській затоці. K.O. Stetter, R. Huber, R. Rachel / University of Regensburg, Germany

Methanopyrus kandleri, вид метаногенних археїв. Цей організм гіпертермофіл, тобто він може зростати та розмножуватися лише за дуже високих температур. Вперше його відшукали на стінці глибоководного гідротермального джерела у Каліфорнійській затоці. K.O. Stetter, R. Huber, R. Rachel / University of Regensburg, Germany

Без участі живих організмів метан утворюється в основному двома шляхами: під час магматичних процесів та у реакціях між водою, газами і породами. Важливими джерелами метану є болота, вулкани, глибоководні термальні джерела та відкладення під антарктичним льодом і арктичною мерзлотою. А ще метан виділяється під час видобутку вугілля і став причиною багатьох трагедій на шахтах, адже за певних пропорцій утворює вибухові суміші з повітрям.

У більшості середовищ на Землі гази, які виникають внаслідок біотичних та абіотичних процесів, змішуються, і розрізнити їх важко. І хоча дослідники впевнені, що термітів чи корів на Марсі точно немає, анаеробні мікроби теоретично можуть тут існувати. Однак, не дивлячись на те, що метан вважається біомаркером, знахідка цього газу на Червоній планеті не може бути доказом життя на ній, адже необхідно довести, що усі інші абіотичні механізми утворення метану тут неможливі.

Лабораторія Червоної планети

Атмосфера Марса розріджена і слабо захищена від впливу ультрафіолетового випромінювання. У результаті фотохімічних процесів молекули метану в такому середовищі могли б проіснувати не довше 340 років. Таким чином, якщо цей газ досі тут присутній, щось постійно поповнює його запаси. То що ж його утворює? Насправді, до остаточної відповіді на це питання ще далеко, однак планетологи пропонують кілька теорій.

Джерела метану можуть знаходитися під поверхнею Марса. Так, він може формуватися в результаті реакцій між вуглекислим газом та воднем у процесі так званої серпентинізації. Вона відбувається, коли породи, багаті на включення мінералу олівіну, взаємодіють з гарячою водою. У результаті утворюється новий мінерал, який називається серпентиніт, та виділяється метан. Також цей газ може утворюватися магматичною дегазацією або внаслідок термічного розкладання древньої органічної речовини. На поверхню метан з підземних джерел буде виходити крізь тріщини. Ще одне можливе пояснення його походження полягає в тому, що метан міг утворитися на Червоній планеті дуже давно та опинитися “у пастці” сполук включення, або клатратів. Тобто, він, ймовірно, просто застряг в інших молекулах чи речовинах, які тепер руйнуються та вивільняють цей газ.

На поверхні планети також існують шляхи утворення метану. Ультрафіолетове випромінювання може не лише знищувати, але й генерувати його. Наприклад, через взаємодію з органічним матеріалом в пилу комет та метеоритів, що потрапляють на Марс.

Шляхи утворення метану на Марсі. ESA

Шляхи утворення метану на Марсі. ESA

Однак у всіх цих теорій є свої слабкі місця. Уже принаймні 10 мільйонів років на Марсі відсутній активний вулканізм. Так, орбітальний апарат «Марс Одіссей», обладнаний спеціальним пристроєм для пошуку гарячих точок на поверхні планети, не знайшов жодної ділянки, де температура відрізнялася б принаймні на 50 Кельвінів від фонового значення. Підземні гідротермальні системи, якщо вони існують на Марсі, скоріш за все, матимуть кімнатну температуру, за якої виділення метану малоефективне. Удари комет, метеоритів та міжпланетного пилу також виробляють лише невелику частку цього газу. А збереження значної кількості органічної речовини від вимерлого макроскопічного життя, яке колись могло існувати на планеті, є малоімовірним, враховуючи суворі марсіанські умови.

Крім того, зафіксувати цей газ є також непростим завданням. Метан, що вийшов на поверхню, може абсорбуватися назад у реголіт або ж швидко розповсюджуватися по планеті за допомогою атмосферної циркуляції. Тому визначити точне місце, у якому формується сполука, дуже складно. Крім того, важливим регулятором кількості метану на Марсі, скоріш за все, є пил. У шарі атмосфери нижче за 10 кілометрів над поверхнею він присутній у великій кількості, і при взаємодії із зернами пилу сигнал метану буде втрачатися. Такі часті явища для Марса як сезонні бурі та пилові смерчі лише посилюватимуть цей ефект.

Лишається ще одна теорія, дуже приваблива для астробіологів — утворення метану внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів. Враховуючи шкідливе космічне та ультрафіолетове випромінювання, низький тиск і температуру, єдине місце, де вони можуть існувати зараз — під поверхнею планети. Тут, у марсіанському реголіті, присутня рідка вода і солі. Крім того, під кригою південного полюсу Марса, скоріш за все, існують великі солоні озера. Такі середовища можуть бути сприятливими для анаеробів-екстремофілів, серед яких можуть бути і метаногени. До речі, таким організмам не потрібен кисень для дихання, тож атмосфера Марса, яка в основному складається з вуглекислого газу, для них підходить.

Марсіанські хроніки

Вперше марсіанський метан зафіксували завдяки наземним спостереженням за допомогою телескопа CFHT у 1999 році, тоді його концентрацію в атмосфері планети оцінили у 10 частин на мільярд. Астрономи заходилися пильнувати метан на Червоній планеті, і в 2009 році група дослідників опублікувала звіт щодо спостережень протягом трьох марсіанських років (або семи земних). За допомогою трьох наземних телескопів науковці мали змогу дослідити близько 90% поверхні планети. Виявилося, що у 2003 стався спалах концентрації метану, його кількість сягнула 45 частин на мільярд. Крім того, тоді астрономи змогли встановити, що шлейфи метану походять з трьох розташованих поблизу точок: височини Arabia Terra, борозен Nili Fossae та темної ділянки Syrtis Major.

Точки підвищеної концентрації метану на Марсі в 2003 році. Mumma et al

Точки підвищеної концентрації метану на Марсі в 2003 році. Mumma et al

Дослідники вирахували, що основний шлейф містив близько 19 тисяч тонн метану і випускав його зі швидкістю 0,6 кілограми на секунду. Це порівняно зі швидкістю виділення цього газу в нафтовому родовищі в каналі Санта Барбари, Каліфорнія. Однак вже навесні 2006 року концентрація метану в усіх трьох шлейфах сягала лише 3 частин на мільярд. Таким чином, тривалість існування метану в марсіанській атмосфері в залежності від умов виявилася від 4 земних років до приблизно 6 місяців — значно менше, ніж очікувалося. Отже, існують ефективні механізми руйнування метану не тільки завдяки фотохімічним процесам.

Спостереження за допомогою орбітальних апаратів так само були суперечливими. Спектрометр на борту зонда «Марс-експрес» визначив глобальний середній рівень метану в 2004-2010 роках у 15 частин на мільярд. А от за даними апарата Mars Global Surveyor, концентрація метану становила від 5 до 60 частин на мільярд.

Основні дослідження марсіанського метану. ESA 

Основні дослідження марсіанського метану. ESA

Уся надія лишалася на спостереження на поверхні Марса, які мав провести ровер «К'юріосіті», але і тут планетологам не пощастило. У 2012 році марсохід висадився у кратері Ґейла та розпочав дослідження. Вже більше восьми років його спектрометр TLS-SAM фіксує періодичні викиди метану, коли його кількість збільшується до 20 частин на мільярд вище низького стійкого фонового рівня. Крім того, астрономи побачили сезонні коливання фонового рівня приповерхневого метану (від 0,25 до 0,65 частин на мільярд). Така циклічність, на думку дослідників, пов’язана із ефективністю поглинання метану ґрунтом чи пилом, яка в свою чергу залежить від температури.

Селфі «К'юріосіті». NASA, JPL-Caltech, MSSS

Селфі «К'юріосіті». NASA, JPL-Caltech, MSSS

У червні 2013 року, коли «К'юріосіті» вперше зафіксував спалах, апарат «Марс-експрес» також побачив збільшення метану з орбіти (до 15,5 частин на мільярд). Потенційне джерело, за визначенням дослідників, знаходилося на схід від кратера, у якому перебував ровер. Однак інший орбітальний апарат, ExoMars Trace Gas Orbiter, у 2019 році виявив зовсім іншу картину. За його даними, метану в атмосфері Марса немає: його максимальна фонова кількість може становити 0,05 частин на мільярд. Це у 100 разів менше, ніж зафіксовано іншими орбітальними апаратами, та у 10 разів менше, ніж виявив у кратері «К'юріосіті». Таку кількість можна порівняти із дрібкою солі, розчиненою в басейні для Олімпійських змагань.

У нижчих шарах атмосфери Марса відбуваються інтенсивні конвективні рухи, через що будь-який газ, який знаходився біля поверхні, піднімається вище, зазвичай на висоту від 6 до 10 кілометрів. А там вже глобальна циркуляція переміщує гази вертикально та горизонтально навколо планети. Таким чином, глобальний рівномірний розподіл метану в атмосфері мав би відбутися у часовому діапазоні від 2 до 3 місяців. І навіть у вкрай малоймовірному випадку, коли кратер Ґейла є єдиним джерелом метану на Марсі, отримані Trace Gas Orbiter дані все рівно не можна пояснити.

Автори дослідження роблять висновок: або ж на Марсі існує деякий механізм, що повністю усуває метан з нижніх шарів атмосфери у тисячі разів швидше, ніж будь-які відомі хімічні процеси, або ж у попередніх вимірюваннях допущена помилка. Деякі науковці навіть висунули припущення, що метан, який фіксував марсохід, випускав сам ровер.

Камера спектрометра «К'юріосіті» містить невелику кількість метану для калібрування чутливості пристрою. NASA, JPL

Камера спектрометра «К'юріосіті» містить невелику кількість метану для калібрування чутливості пристрою. NASA, JPL

Втім, завдяки ретельним перевіркам астрономи схильні вважати, що дані «К'юріосіті» усе ж вірні. Остання робота, опублікована наприкінці червня 2021 року, дає можливу відповідь на те, чому результати досліджень марсохода та Trace Gas Orbiter настільки відрізняються.

Справа в тому, що до грудня 2019 року усі вимірювання ровер здійснював близько опівночі за марсіанським часом. Це пов’язано з тим, що такі процедури потребують багато енергії, тож їх намагалися виконувати тоді, коли інші інструменти «К'юріосіті» не працюють. А от Trace Gas Orbiter використовує техніку, за якої його інструменти спостерігають поглинання спектру в атмосфері Марса під час заходів Сонця та світанків. Щоб перевірити, чи не криється у цьому причина розбіжностей даних, дослідники вперше вирішили використати інструменти «К'юріосіті» вдень.

Дійсно, виявилося, що при світлі Сонця «К'юріосіті» фіксує фонову концентрацію метану в 0,05 частин на мільярд (тоді як вночі це значення дорівнює 0,5 частин на мільярд). Пояснити таку різницю протягом доби можна зміною станів нижніх шарів атмосфери. Метан, що просочується з-під поверхні, вночі накопичується біля неї, адже циркуляція у цей час не настільки інтенсивна. Саме тому «К'юріосіті» фіксує відносно високі фонові значення. Коли ж тепло від Сонця нагріває атмосферу, тепле повітря піднімається вище, а холодне опускається. Таким чином, метан, який утримувався біля поверхні вночі, вдень перемішується з іншими газами атмосфери, тож його концентрація значно падає, і ні наземні, ні орбітальні апарати його вже не фіксують.

Втім, така версія усе ще не повністю вписується у картину, яку спостерігають планетологи. Якщо кратер Ґейла не єдине місце виходу метану на поверхню, цей газ мав би роками накопичуватися у атмосфері до рівнів, коли Trace Gas Orbiter усе ж міг би його зафіксувати. Тому для пояснення такої низької концентрації цього газу усе ще необхідний механізм його руйнування, що справляється із цією задачею швидше за ультрафіолетове випромінювання. Що це за механізм, астрономи ще тільки мають дізнатися.