Загадки марсианского метана

10 апреля 2019 в журнале Nature опубликованы первые результаты научных приборов аппарата Trace Gas Orbiter, полученные с начала его работы в апреле 2018 года. Они были представлены на пресс-конференции в ходе Генеральной ассамблеи Европейского союза наук о Земле в Вене (Австрия).

Основной вывод, сделанный по данным российского спектрометрического комплекса ACS и бельгийского эксперимента NOMAD, — в атмосфере Марса не удалось зарегистрировать метан, а поэтому его концентрациям вряд ли превышает уровень в 50 частиц на триллион, что в 10–100 раз меньше, чем показывали предыдущие эксперименты.

Кроме этого, получены данные о том, как пылевые бури переносят молекулы воды из нижних в верхние слои в атмосфере, что, возможно, ускорило потерю воды с планеты в течение её истории. По данным российского нейтронного детектора FREND были составлены карты содержания подповерхностного льда с пространственным разрешением 300 км на пиксель.

Метан на Марсе по-прежнему неуловим

Научные приборы на борту орбитального аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» начали наблюдения весной 2018 года после почти годового периода «аэробрейкинга» — торможения с помощью атмосферы. Результаты тестирований и калибровок показали, что приборы успешно пережили перелёт и выход на рабочую орбиту высотой около 400 км, так что сейчас у Марса работают, пожалуй, наиболее совершенные на сегодня спектрометры, нацеленные на регистрацию малых составляющих атмосферы — газов, концентрация которых не превышает нескольких частиц на миллиард или даже триллион, а также пыли и аэрозолей. Это российский комплекс ACS и бельгийский NOMAD, работающие в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра.

Одна из главных целей миссии TGO — метан, который может свидетельствовать о существующей на Марсе жизни или хотя бы о текущей вулканической активности планеты. Считается, что на Земле 90% метана имеет биологические происхождение, а его концентрация составляет 1800 частиц на миллиард в единице объёма или ppbv (parts per billion by volume).

В атмосфере Марса молекулы метана, если и появляются, то должны разрушаться сравнительно быстро, за два-три столетия, под действием солнечного ультрафиолета. Поэтому, если метан удастся зарегистрировать в марсианской атмосфере, то он появился там относительно недавно.

Есть ли метан на Марсе? Время от времени наземные наблюдения давали на этот вопрос положительный ответ, но ограничивали его концентрацию несколькими частицами на миллиард.

Наиболее значительный выброс (45 ppbv) был зарегистрирован с Земли в 2003 г., затем в 2004 году прибор PFS на космическом аппарате «Марс-Экспресс» (ЕКА), как предполагается, также зарегистрировал метан в количестве около 10 ppbv. Но, например, марсоход «Кьюрисити», работающий в кратере Гейла с конца 2011 года, вначале не регистрировал метан вообще, ограничивая его концентрацию значением в 0,2 ppbv (или 200 частицами на триллион, pptv, предел чувствительности прибора), а потом несколько раз наблюдал резкое кратковременное повышение, вплоть до 9 ppbv. В 2013 году лазерный спектрометр TLS на борту «Кьюриосити» зарегистрировал повышение концентрации метана до 5,8 ppbv, и, что особенно интересно, спектрометр на борту «Марса-Экспресс» подтвердил этот «выброс» в районе кратера Гейла, причём с ещё большей концентрацией — 15,5 ppbv. При этом в более чувствительном режиме прибор на борту «Кьюриосити» фиксирует лишь «фоновые» значения на уровне 0,24–0,65 ppbv.

Российский спектрометрический комплекс ACS на борту TGO был создан именно для того, чтобы зарегистрировать метан даже в концентрациях, на два порядка меньших, чем показывал «Кьюрисоити» Три инфракрасных спектрометра в составе ACS обладают рекордной на сегодня чувствительностью и спектральным разрешением, чтобы зарегистрировать метан, даже если его концентрация не превышает нескольких частиц на триллион. Однако, как оказалось, и это очень высокий показатель для Марса.

«Спектрометры ACS, так же, как и спектрометры европейского комплекса NOMAD, не зарегистрировали метан на Марсе во время измерений с апреля по август 2018 года. Наблюдения проводились в режиме солнечных затмений на всех широтах», — говорит Олег Кораблев, научный руководитель спектрометрического комплекса ACS, руководитель отдела физики планет ИКИ РАН и соавтор двух статей, опубликованных в Nature 10 апреля 2019 г.

Ученый поясняет, что этот результат, в принципе, не исключает, что метан всё же может быть в атмосфере, но устанавливает верхний предел для его концентрации. Вывод статьи в Nature звучит так: метана в атмосфере Марса не может быть больше, чем 0,05 ppbv (или 50 частиц на триллион). Наиболее точные данные были получены для высот в 3 км в северном полушарии, и здесь этот предел ещё ниже — 0,012 ppbv (12 частиц на триллион).

Это в 10–100 раз меньше, чем показывали предшествующие эксперименты. Правда, лучше сравнивать новые данные лишь с результатами TLS на «Кьюриосити», так как другие приборы, например, PFS на «Марсе-Экспрессе» не предназначены специально для регистрации метана, и, чтобы получить результат, пришлось прибегать к достаточно сложным методам наблюдения и обработки данных.

«Переменность метана, его эпизодическое появление, сменяемое отсутствием, на самом деле, представляет серьёзную загадку для атмосферных физиков, — рассказывает Олег Кораблёв. — В рамках нашего понимания процессов в атмосфере Марса не представляется возможным совместить вновь установленный верхний предел даже с низким «метановым фоном», установленным «Кьюриосити». А если посчитать единичные выбросы, в кратере Гейл, или в других местах, ещё труднее объяснить, почему так мало среднее содержание во всей атмосфере. Для этого надо найти какой-то новый механизм быстрого разрушения метана вблизи от поверхности, который должен действовать очень избирательно, только на метан, не затрагивая другие химически активные составляющие атмосферы, измеренные концентрации которых очень хорошо воспроизводятся моделями».

Установленный, очень низкий, верхний предел допускает, что на Марсе метан всё же есть, до 500 тонн газа, который мог выделяться в течение 300 лет и который разносит по планете циркуляция атмосферы.

За несколько месяцев работы ACS накопил несколько тысяч профилей атмосферы, и работа продолжается. Возможно, новые данные позволят прояснить картину.

Пылевые бури помогают воде «убегать» с Марса

Примерно через два месяца после начала научных наблюдений на Марсе началась глобальная пылевая буря (она, к сожалению, стала концом миссии для марсохода «Оппортьюнити», НАСА). Для TGO, работающего на низкой круговой орбите, открылась возможность пронаблюдать за динамикой водяного пара в атмосфере Марса.

Таким образом были построены профили содержания водяного пара и молекул «полутяжелой воды» в атмосфере до высоты примерно 80 км. И ACS, и NOMAD работают в режиме «солнечных затмений», то есть «смотрят» на Солнце через слой атмосферы на краю планеты. Так можно не только зарегистрировать какое-то вещество по его линиям поглощения в спектре солнечного излучения, но и понять, на какой высоте оно находится — построить так называемый профиль вертикального распределения вещества.

В молекуле «полутяжелой воды» один из атомов «простого» водорода H замещен на атом дейтерия D — изотопа водорода, в ядре которого есть один нейтрон. Формула полутяжелой воды соответственно пишется HDO вместо H2O (её очень часто называют просто «тяжёлой водой», но, если быть точными, в «тяжёлой воде» D2O водород полностью заменён дейтерием).

По данным ACS и NOMAD, буквально через несколько суток после начала бури содержание H20 и HDO в верхнем слое атмосферы резко повысилось. Это отвечает современным представлениям о глобальной атмосферной циркуляции на Марсе. Когда пыль в атмосфере нагревается, то она нагревает окружающий газ. Он расширяется, и, как следствие, все составляющие атмосферы переносятся выше, чем в сезоны без пылевых бурь. Кроме этого, «работает» разница температур между экватором и полярными областями. И, что особенно важно, температура атмосферы оказывается достаточно высокой, чтобы водяной лёд не конденсировался в облака, которые в обычных условиях удерживают воду достаточно низко.

«Модели циркуляции атмосферы на Марсе предсказывали, что во время пылевой бури молекулы воды могут подниматься достаточно высоко, но впервые мы смогли зарегистрировать их непосредственно», — говорит Анн Карин Вандаль, научный руководитель спектрометрического комплекса NOMAD, сотрудник Королевского Бельгийского института космической аэрономии.

На достаточно большой высоте молекулы воды «разбивает» ультрафиолетовое излучение Солнце, а образовавшиеся ионы «уходят» в межпланетное пространство с солнечным ветром. Примерно так выглядит схема потери воды Марсом, которая становится всё более детальной с учётом новых данных.

Особенно важно, что измерялась концентрация одновременно H20 и HDO, то есть, фактически, отношение содержания дейтерия к водороду. Они отличаются по массе, и темпы их потери также могут быть разными. Зная это соотношения, можно делать определённые выводы об эволюции воды на планете.

Новые детали распределения воды в верхнем грунте Марса

Задача российского нейтронного детектора FREND на борту TGO — исследование нейтронного потока от поверхности Марса, который свидетельствует о наличии водяного льда или гидратированных минералов в верхнем (примерно до 1 метра) слое грунта планеты.

Этот прибор — прямой «наследник» нейтронного детектора ХЕНД, который с 2001 года работает на борту орбитального аппарата «Марс Одиссей» (НАСА). Именно ХЕНД впервые показал, что водород и водяной лёд распространены в грунте Марса. Но пространственное разрешение его данных было низким — около 600 км с орбиты высотой 400 км. Эксперимент ФРЕНД был сконструирован для того, чтобы составить карту с гораздо лучшим показателем: порядка 60 км с высоты 400 км (рабочая орбита TGO). Чтобы достичь такого разрешения, необходимо накопить данные примерно за один марсианский год (или два земных).

К настоящему времени карты ФРЕНД составлены с разрешением 300 км на пиксел. На них видны области вечной мерзлоты в полярных областях, а также экваториальные районы, где в верхнем слое грунта находится много водорода. Это может быть «современная» вечная мерзлота или «следы прошлого», свидетельствующие о том времени, когда экваториальные участки планеты были полюсами (существует много свидетельств того, что марсианская ось очень сильно «гуляла»).

«По мере поступления новых данных эта карта будет улучшаться, но уже сейчас данные ФРЕНД превосходят те, что накопил ХЕНД за 16 лет работы, — говорит Игорь Митрофанов, научный руководитель эксперимента ФРЕНД, руководитель отдела ядерной планетологии ИКИ РАН. — Таким образом мы узнаем, где сейчас находятся наиболее «влажные» районы Марса, сейчас и в прошлом. Это важно и для исследования истории планеты, и для планирования будущих экспедиций».

Источник: m.vk.com