Ікі ран: що ми дізналися про марс у тридцять п’ятий марсіанський рік

17

19 жовтня 2021 року виповнилося 5 років з моменту, як марсіанська міжпланетна станція tgo російсько-європейської місії « екзомарс-2016 » (проект «екзомарс»/exomars) вийшла на орбіту навколо марса. На борту tgo встановлено чотири наукові прилади: два російських і два європейських. Якщо підсумувати всі результати, які були отримані за час їх роботи, то можна сказати, що з прильотом tgo у вивченні марса стався злам парадигми.

В першу чергу це стосується марсіанського клімату і погоди. Можливо, що ще у відносно недавньому минулому на марсі було більше води, ніж припускали досі. Однак питання життя на червоній планеті, на жаль, досі вирішується, скоріше, в негативну сторону, хоча і тут залишається місце для деяких загадок.

У науковий комплекс апарату tgo (скорочення від trace gas orbiter, «орбітальний апарат для дослідження малих складових атмосфери») входить два спектрометричних комплексу: російський acs і бельгійський nomad. Їх головне завдання-пошуки малих газових складових атмосфери марса, тобто речовин, частка яких не перевищує 1%, а також вивчення аерозольних частинок.

До складу російського комплексу acs входять три спектрометри, що працюють в різних ділянках інфрачервоного спектра. Їх відрізняє рекордна спектральна роздільна здатність і хороша чутливість — комплекс acs здатний реєструвати газові складові, концентрація яких не перевищує декількох десятків частинок на трильйон в одиниці об’єму.

Склад марсіанської атмосфери здається простим. 95% відсотків становить вуглекислий газ co2, далі азот (близько 3% відсотків), аргон (менше 2%) і так звані «малі складові» (загальна частка менше 1%). У їх числі-водяна пара, кисень, озон та інші речовини. Саме вони становлять особливий інтерес, оскільки є надія, що серед них можна виявити і біомаркери — гази, які можуть свідчити про наявність життя.

Втім, хоча питання життя на марсі залишається на порядку денному, але в останні місяці увага дослідників переключилася на проблеми хімії марсіанської атмосфери. Як з’ясувалося, наявні на сьогодні моделі не пояснюють ту картину того, що відбувається, яка реально спостерігається на марсі. Деталі цієї картини ми збираємо зараз.

Метан, етан, етилен, фосфін…

Що об’єднує всі названі сполуки? відповідь-всі вони в даний час вважаються можливими ознаками біологічної активності. У березні, травні та червні 2021 року в наукових журналах були опубліковані три статті, присвячені пошуку цих газів на марсі. На першому місці, звичайно, як і раніше залишається метан.

Пошуки метану — одне з основних завдань спектрометра acs. Вже в 2018 році, майже відразу після початку штатної роботи, стало зрозуміло, що метану в атмосфері марса на порядки менше, ніж передбачалося на основі наземних спостережень, — не більше 50 частинок на трильйон в одиниці об’єму (або 0,05 частинок на мільярд, parts per billon by volume, ppbv). Цей результат був оприлюднений у 2019 році, після ретельних перевірок.

У новій статті, що вийшла в червні 2021 року в журналі astronomy&astrophysics, ці оцінки були ще більш посилені. Дослідники франк монмессан (franck montmessin, лабораторія latmos, франція) і олег корабльов (ікі ран, росія) і їх співавтори обробили дані acs за півтора марсіанських року (приблизно 2,7 земних року) — 34-й і 35-й в марсіанському обчисленні (my34 і my35). Як і раніше (у статті корабльова та ін., опублікованій в журналі nature в 2019 році), слідів метану в спектрах tgo виявлено не було. Більш того, верхня межа була поліпшена, тобто, встановлено, що концентрація метану в атмосфері не перевищує 0,02 ppbv з імовірністю 99%.

Ці вимірювання знову вступають в протиріччя з тим фактом, що американський марсохід curiosity реєструє метан в концентраціях на порядки більш високих — до 19 ppbv, а в середньому не менше 0,2–0,5 ppbv. Однак, якщо curiosity працює на самій поверхні, то acs спостерігає атмосферу, починаючи з декількох кілометрів над нею. Таким чином, можна «примирити» результати двох апаратів, якщо припустити, що метан в нижній атмосфері негайно руйнується або потрапляє в якусь «пастку» і не піднімається у верхні шари. Однак поки немає припущень про те який процес міг би так швидко зруйнувати метан або» ізолювати » його від решти атмосфери.

Приблизно те ж можна сказати про фосфін, який став вважатися потенційним біомаркером відносно недавно. Acs не виявив смуг поглинання фосфіну. Його вміст в атмосфері не перевищує 0.1 — 0.6 ppbv. Уточнимо, що мова йде не про реальні спостережуваних «слідах» речовини, а про те, яка чутливість потрібна приладів наступних апаратів, щоб вловити ці гази, — якщо, звичайно, вони є.

; її перші автори-кевін олсен (kevin olsen, оксфордський університет, великобританія) і олександр трохимовський (ікі ран).

Соляна кислота з марсіанської солі

Якщо в наявності метану на марсі до початку роботи tgo були практично впевнені і очікували тільки неминучого підтвердження, то про те, що в атмосфері планети є хлороводень (hcl, фактично, соляна кислота) такої переконаності не було. Передбачалося, що він існує, але експериментально його виявити до acs не вдавалося. Справа була знову ж таки в малій концентрації–як показували перші оцінки, його концентрації не повинні були перевищувати 0.2-0.3 ppbv.

У лютому цього року в журналі science advances була опублікована стаття (перший автор — олег корабльов ) про виявлення хлороводню (hcl) в атмосфері марса. Відкриття зробив російський спектрометр acs. За даними вимірювань, хлороводень з’явився в атмосфері під час глобальної пилової бурі, які відбуваються на марсі раз на кілька років, і поступово зник після її закінчення. Спостереження відносяться до 34 марсіанського року (my34). Його зміст, за цими даними, коливався в межах 1-4 ppbv. І, на відміну від фосфіну, це реальний вміст: у спектрах, які отримує acs, смуги поглинання hcl були виявлені з високою достовірністю.

Виникло резонне припущення, що утворення hcl пов’язане саме з наявністю великої кількості аерозолів, піднятого вітрами з поверхні. Проте колектив дослідників приладу acs вирішив уточнити цю гіпотезу: у березневій статті в журналі astronomy&astrophysics опублікована стаття кевіна олсена, олександра трохимовського та їх колег про появу хлороводню в наступний, 35 марсіанський рік (my35) — хоча глобальної пилової бурі в цей рік не було.

Абсолютні значення вмісту hcl для обох років дуже близькі-0.1 — 6 ppbv. Таким чином, автори припускають, що не пилова буря, а скоріше «пиловий сезон» (час, коли кількість пилу в атмосфері максимально, в даному випадку літо в південній півкулі) є причиною утворення хлороводню.

При цьому механізм появи і швидкого зникнення цього газу поки не до кінця зрозумілий. Можна поспекулювати, і обидві статті розглядають таку гіпотезу, що hcl, або хоча б його частина, потрапляє в атмосферу з надр планети, в результаті вулканічних процесів. Кілька разів acs виявляв цей газ у спокійний сезон літа в північній півкулі, коли в атмосфері майже немає пилу.

Ще одна стаття олександра трохимовського та його колег, опублікована в тому ж журналі в липні, присвячена дослідженню ізотопного складу хлору в атмосферному хлороводороді: h35cl і h37cl.

Більшість марсіанських газів істотно збагачені важкими ізотопами внаслідок багаторічної втрати марсом своєї атмосфери. Однак саме для хлороводню було визначено, що його ізотопне відношення майже відповідає земному. Швидше за все це означає, що спостережуваний хлороводень, і зокрема хлор в його складі, не беруть участь в довгострокових процесах обміну між поверхнею і атмосферою — іншими словами, хлор більш-менш «замкнений» в нижніх шарах атмосфери марса.

Вода відлітає і залишається, але важка

На відміну від хлору, ізотопний склад водню (h) в марсіанській атмосфері відрізняється від земного. На марсі в п’ять разів більше дейтерію (d) — «важкого» водню, ядро якого, крім одного протона, містить ще один нейтрон, — ніж на землі.

Знання цього факту допомагає оцінити кількість води, яку втратив марс за час своєї історії. Основний «постачальник» водню в атмосферу-молекули води h2o. Оскільки, на відміну від землі, на марсі вода досить активно йде через атмосферу в космос, то, якщо знати темп втрат, то можна відновити ланцюжок «назад» і зрозуміти, скільки води було на початку.

Якщо говорити грубо, то треба зрозуміти, наскільки швидко молекула води, потрапивши у верхні шари атмосфери, розпадеться на іони, які або покинуть, тим чи іншим чином, атмосферу, або зв’яжуться в якоюсь іншою речовиною і залишаться на планеті.

Можна припустити, що спочатку, в момент утворення планет, марсіанське співвідношення d / h було схожим на земне. Але» легкий » водень випаровується швидше, ніж важкий, тому за сотні мільйонів років це співвідношення змінилося до того показника, який ми спостерігаємо сьогодні.

Передбачалося, що цей процес визначається двома механізмами. Перший-конденсація, тобто перехід атмосферної води з газоподібного стану в крижане, утворення «снігових» хмар. Другий-фотоліз, тобто розпад молекул на іон водню h і радикал oh під дією сонячного ультрафіолетового випромінювання. Проблема, над якою дослідники працюють прямо зараз, — як працюють ці механізми, який результат їх дії, якщо вимірювати його в кількості «втраченої» води і або зміни показника d/h.

У червні 2021 року в журналі nature astronomy була опублікована стаття, яка представляє результати вимірів концентрації води (h20) і важкої води (hdo, де один з атомів водню замінений на атом дейтерію) на марсі в залежності від висоти над поверхнею.

Її автори хуан олдей (juan alday, університет оксфорда, великобританія), олександр трохимовський (ікі ран) і їх колеги, в тому числі з лабораторії latmos, зіставили отримані acs дані з передбачуваним темпом фотолізу, і прийшли до висновку, що для утворення іонів водню в атмосфері найбільш важливий саме механізм фотолізу. Крім цього, виявилося, що в його ході атоми водню утворюються в більшій кількості, ніж атоми дейтерію (раніше вважали, що для «поділу» водню і дейтерію в атмосфері важливіше конденсація).

Другий результат acs, описаний в статті дениса бєляєва (ікі ран) і його колег (вийшла в травні 2021 року в журналі geophysical research letters) заснований на спостереженнях за концентрацією водяної пари на висотах 100-120 км над поверхнею. Раніше цей шар (мезосфера і верхня мезосфера) при вивченні розподілу води не досліджувався.

Згідно з новими результатами, максимальна концентрація молекул водяної пари h2o склала 10-50 частинок на мільйон в одиниці об’єму (ppmv) під час глобальної пилової бурі 34 марсіанського року, а також під час двох літніх сонцестоянь в південній півкулі — my34 і my35. (в інші періоди максимальні значення на цих висотах були значно нижчими і не досягали 2 ppmv).

Як вже говорилося вище, в 35 марсіанському році глобальної пилової бурі не було. Але молекули води проте досягали таких висот, де їх вже вільно міг руйнувати сонячний ультрафіолет. Таким чином, дуже ймовірно, що саме зміна сезонів-настання південного літа, а не тільки пилові бурі, підсилює темпи втрати води.

Цей фактор раніше недооцінювали: вважалося, що «сплески» втрат припадають саме на глобальні пилові бурі, тоді як в інший час вода «випаровується» більш-менш рівним темпом. Але марсіанська атмосфера виявляється набагато більш динамічною. На додаток до глобальних пилових бур, важливу роль в ній відіграють і регіональні. У статті, що вийшла в серпні в журналі nature astronomy, були зібрані дані з трьох штучних супутників марса, в тому числі і від експерименту acs/tgo, за кількістю пилу, температурі, концентрації льоду, водяної пари і водню в атмосфері марса під час регіональної пилової бурі (літо в південній півкулі my34, січень—лютий 2019 року на землі). Як показав їх аналіз, темпи втрат водню в цей час можуть збільшуватися в 5-10 разів. А оскільки регіональні пилові бурі відбуваються практично щороку, то їх внесок в еволюцію марсіанської атмосфери може бути досить значним.

Зіставлення спостережуваних сезонів в південній півкулі марса з земним календарем. Ls-довгота сонця; відраховується в градусах по орбіті марса від 0 до 360, де 0 — точка весняного рівнодення в північній півкулі (тобто осіннього рівнодення в південному).

Марсіанські роки відраховуються від земного 11 квітня 1955 року-ls 0, моменту весняного рівнодення в північній півкулі. При цьому, оскільки орбіта марса досить витягнута, сезони розрізняються по довжині-північні весна і літо коротше, ніж південні.

Перевести земний час в марсіанське можна, використовуючи, наприклад, веб-сервер the mars climate database projects. До речі, зараз (жовтень 2021 року) в південній півкулі марса стоїть глибока зима 36 марсіанського року.

***

проект «екзомарс» — спільний проект роскосмосу і європейського космічного агентства.

Проект реалізується в два етапи. Перша місія з запуском в 2016 році включає два космічні апарати: орбітальний trace gas orbiter (tgo) для спостережень атмосфери і поверхні планети і посадковий модуль «скіапареллі» (schiaparelli) для відпрацювання технологій посадки.

Наукові завдання апарату tgo-реєстрація малих складових марсіанської атмосфери, в тому числі метану, картування поширеності води у верхньому шарі грунти з високим просторовим дозволом порядку десятків км, стереозйомка поверхні. На апараті встановлені два прилади, створені в росії: спектрометричний комплекс ацс (acs — atmospheric chemistry suit, комплекс для вивчення хімії атмосфери) і нейтронний телескоп високого дозволу френд (frend, fine-resolution epithermal neutron detector). Також росія надає для запуску ракету-носій «протон «з розгінним блоком»бриз-м».

Другий етап проекту (запуск 2022 р.) передбачає доставку на поверхню марса російської посадкової платформи «козачок «з європейським автоматичним марсоходом» розалінд франклін» (rosalind franklin) на борту. Росія надає для запуску ракету-носій «протон-м «з розгінним блоком»бриз-м».

В рамках обох етапів в росії створюється об’єднаний з єка наземний науковий комплекс проекту «екзомарс» для прийому, архівування та обробки наукової інформації.