В атмосфере Красной планеты происходит что-то очень странное. Давайте разбираться!

Метан на Марсе вызывает особый интерес по той причине, что на Земле этот газ является, по большей части, продуктом жизнедеятельности организмов. Известно, что срок жизни молекул метана составляет несколько сотен лет, после чего они разрушаются под воздействием солнечных лучей. А это значит, что если мы обнаруживаем его в атмосфере Марса, то появился он в ней не так уж и давно.

Недавний всплеск концентрации метана в газовой оболочке Красной планеты, зарегистрированный марсоходом NASA Curiosity в июне этого года, является самым мощным из обнаруженных: 21 часть на миллиард (21 ppbv). Для сравнения: в атмосфере Земли концентрация этого газа составляет 1800 частей на миллиард (1800 ppbv). Но удивительнее самого результата то, что орбитальные аппараты никаких всплесков метана в атмосфере Марса не обнаружили.

Аппарат Mars Express провёл свои дневные замеры спустя пять часов после того, как свои ночные замеры сделал Curiosity – точность измерений этого орбитального наблюдателя составляет 2 ppbv. Ничего. Как и в данных, которые аппарат собрал за сутки до всплеска. Да и показания самого Curiosity с последующих измерений не были необычными – уровень метана пришёл в норму.

У разработанного в рамках программы ExoMars орбитального аппарата Trace Gas Orbiter установлен самый чувствительный детектор компонентов атмосферы. Это очень точный инструмент – даже с учётом запыленности атмосферы Марса в день измерений Curiosity, аппарат мог бы предоставить данные по концентрации метана на высотах 15-20 километров от поверхности с точностью до 0,07 ppbv. Ничего. Единственное, что аппарат смог обнаружить – это глобальное отсутствие метана в атмосфере. Что вызывает ещё больше вопросов.

Марко Джуранно, ответственный за исследования с помощью установленного на Mars Express инструмента для обнаружения метана под названием PFS (Planetary Fourier Spectrometer), отмечает:

Оценивая результаты, полученные с трёх аппаратов, можно предположить, что последний всплеск метана, измеренный Curiosity – очень короткий. Менее одного марсианского дня. И, по всей видимости, он является локальным. Очень отличается от всплеска, измеренного в 2013-м году, который был более продолжительным – скорее всего он был более интенсивным в своём эпицентре и, вероятно, находился вне кратера Гейла. Что и позволило аппарату Mars Express его обнаружить. 

Команды исследователей продолжают изучать влияние атмосферных циркуляций при смене дня и ночи на состав воздушной оболочки Марса. Также они хотят узнать, влияет ли расположение Curiosity в кратере Гейла на показания его измерений.

Но это ещё не всё

Полагаете, что метан – это единственный газ в атмосфере Красной планеты, который озадачил учёных? Вот вам загадка номер два: кислород.

Исследователи впервые измерили сезонные изменения концентрации газов в марсианской атмосфере – непосредственно над кратером Гейла. В результате получилось то, чего никто не ожидал: кислород – газ, который многие земные организмы используют для дыхания – ведёт себя таким образом, что учёные не могут объяснить его поведение какими-либо известными химическими процессами.

В течение трёх лет установленный на марсоходе Curiosity прибор под названием Sample Analysis at Mars (SAM) замерял состав марсианской атмосферы над кратером Гейла. Результат: 95% углекислого газа (CO2), 2,6% молекулярного азота (N2), 1,9% аргона (Ar), 0,16% молекулярного кислорода (O2) и 0,06% монооксида углерода (CO).

Эти измерения также показали то, как молекулы марсианского воздуха циркулируют в зависимости от давления атмосферы в течение года. Изменения последнего вызваны процессом замерзания углекислого газа над полюсами планеты зимой (что приводит к некоторому уменьшению атмосферного давления). Соответственно, когда на планете наступает лето, углекислый газ испаряется. И атмосферное давление повышается.

Учёные обнаружили, что азот и аргон ведут себя ровно так, как предсказывает сезонный цикл – их концентрация в атмосфере Марса напрямую зависит от концентрации углекислого газа. Они ожидали, что и кислород будет вести себя подобным образом. Каково же было их удивление, когда они увидели, что концентрация кислорода весной и летом вырастала на 30% от предсказанной, а осенью – возвращалась в норму. Причём это происходило не единожды. И каждую весну в атмосферу прибывало разное количество кислорода – как будто что-то сначала производило его, а затем утилизировало.

Как только загадка с кислородом была обнаружена, специалисты ринулись искать её решение. Для начала трижды проверили точность прибора SAM – с ним, как оказалось, всё в порядке. Далее был рассмотрен вариант распада молекул углекислого газа или воды в атмосфере, который теоретически мог бы дать подобный прирост кислорода. Плохой вариант: в марсианской атмосфере нет такого количества воды, распад которой дал бы ощутимый прирост О2, а углекислый газ распадается слишком медленно, чтобы давать прирост в такие короткие промежутки времени.

А что насчёт убыли концентрации кислорода к осени? Может быть воздействие солнечных лучей способствует распаду накопившегося за лето кислорода? Нет – отвечают учёные. Через этот процесс выделившийся за весну и лето кислород исчез бы только через 10 лет.

Вот что говорит учёный-планетолог Мелисса Трейнер из Центра космических полётов Годдарда, которая возглавляла исследование:

Мы изо всех сил стараемся найти объяснение этому. Тот факт, что кислород ведёт себя непостоянно от сезона к сезону, заставляет нас думать о непричастности к этой проблеме динамики атмосферы. Здесь присутствует какой-то химический источник и поглотитель, которые мы пока не можем выявить.

Для учёных вся эта история с марсианским кислородом кажется очень похожей на историю с марсианским метаном. Последний постоянно находится в кратере Гейла в таких небольших количествах, что едва измерим самыми чувствительными приборами. И SAM наглядно показал, что метан ведёт себя практически также, как и кислород – его концентрация в летние месяцы взлетает на 60% по непонятным причинам. Это в дополнение к тому, что периодически его концентрация увеличивается в разы (да-да, метановые всплески, о которых речь шла выше).

Исследователи не могут не замечать эту сезонную корреляцию между метаном и кислородом. Но пока у них нет этому объяснения.

Кислород и метан могут быть получены как биологическим (продукт жизнедеятельности микробов, например), так и абиотическим (химия, завязанная на воде и грунте) путём. Учёные рассматривают все варианты, хотя у них нет уверенных доказательств биологической активности на Марсе. У Curiosity нет на борту инструментов, которые могли бы однозначно определить, является ли источник этих газов биологическим, или нет. Исследователи полагают, что наиболее вероятными являются абиотические причины возникновения кислорода и метана. Поэтому прилагают много усилий, чтобы найти и объяснить их.

Команда Мелиссы Трейнер рассматривает марсианский грунт как основной источник дополнительного кислорода. Известно, что он богат такими соединениями, как перекись водорода и перхлораты. Эксперимент, проведённый десятилетия назад при помощи аппаратов Viking, показал, что при достаточной температуре и влажности из марсианского грунта будет выделяться кислород. Но эксперимент проводился не в условиях марсианской весны. К тому же он не объясняет осенний спад концентрации О2. Да и исследования этих аппаратов длились всего несколько марсианских дней – они не могли выявить сезонные закономерности.

Измерения SAM предоставили нам возможность увидеть эти закономерности впервые. И прибор продолжит свои наблюдения, чтобы команда исследователей собрала более подробные данные по каждому сезону. А Мелисса Трейнер и её команда надеются, что другие учёные тоже начнут работать над загадками марсианской атмосферы.

Интересные материалы о Марсе:

• Как метеориты помогают в изучении загадок истории Марса?
• Как мы могли бы сделать Марс обитаемым?
• Как прокормить миллион человек на Марсе?