Впервые в истории освоения космоса ученые измерили сезонные изменения газов, которые заполняют воздух непосредственно над поверхностью кратера Гейла на Марсе. В результате они заметили нечто озадачивающее: кислород, газ, которым дышат многие земные существа, ведет себя так, что до сих пор ученые не могут объяснить его поведение с помощью каких-либо известных химических процессов.
В течение трех марсианских лет (или почти шести земных лет) прибор для анализа проб в портативной химической лаборатории (SAM), находящийся внутри марсохода Curiosity НАСА делал пробы воздуха в кратере Гейла и анализировал его состав. Полученные результаты подтвердили состав марсианской атмосферы на поверхности: 95% по объему углекислого газа (CO2), 2,6% молекулярного азота (N2), 1,9% аргона (Ar), 0,16% молекулярного кислорода (O2) и 0,06% монооксида углерода (CO). Анализ также показал, как молекулы марсианского воздуха смешиваются и циркулируют с изменением давления воздуха в течение года. Эти изменения вызваны тем, что газ CO2 замерзает над полюсами зимой, тем самым понижая давление воздуха по всей планете. Когда CO2 испаряется весной и летом и смешивается с атмосферой Марса, это повышает давление воздуха.
В среде кратера Гейла ученые обнаружили, что азот и аргон следуют предсказуемой сезонной схеме, возрастая и убывая в концентрации в течение года относительно того, сколько CO2 находится в воздухе. Они ожидали, что кислород сделает то же самое. Вместо этого, количество кислорода в воздухе увеличилось в течение весны и лета на целых 30%, а затем упало до уровней, предсказанных известной сезонной схемой осенью. Эта картина повторялась каждую весну, хотя количество кислорода, добавляемого в атмосферу, менялось, подразумевая, что что-то производило его, а затем забирало.
«В первый раз, когда мы увидели это, это было просто ошеломляюще», - сказал Сушил Атрейя, профессор климатических и космических наук Мичиганского университета в Анн-Арборе. Атрейя является соавтором статьи на эту тему, опубликованной 12 ноября в журнале Geophysical Research: Planets.
Как только ученые обнаружили кислородную загадку, специалисты по Марсу приступили к работе, пытаясь объяснить ее. Сначала они дважды и трижды проверили точность прибора SAM, который они использовали для измерения газов. Инструмент был в полном порядке. Они рассмотрели возможность того, что молекулы CO2 или воды (H2O) могли выделять кислород, когда они распадались в атмосфере, что приводило к кратковременному подъему концентрации. Но для производства дополнительного кислорода потребовалось бы в пять раз больше воды над Марсом, а CO2 распадается слишком медленно, чтобы генерировать его за такое короткое время. А как насчет снижения кислорода? Могло ли солнечное излучение расщепить молекулы кислорода на два атома, которые уносило в космос? Нет, заключили ученые, поскольку для того, чтобы кислород исчез в результате этого процесса, потребуется не менее 10 лет.
«Мы изо всех сил пытаемся объяснить это», - сказала Мелисса Трейнер, планетолог из Центра космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, которая возглавляла это исследование. "Тот факт, что поведение кислорода каждый сезон повторяется не полностью, заставило нас задуматься, что это не проблема, которая имеет отношение к атмосферной динамике. Это должен быть какой-то химический источник и потом отток, которые мы пока не можем обнаружить и объяснить».
Для ученых, изучающих Марс, история кислорода удивительно похожа на историю метана. Метан постоянно находится в воздухе внутри кратера Гейла в таких малых количествах (в среднем 0,00000004%), что его едва можно различить даже с помощью самых чувствительных приборов. Тем не менее, оно было измерено настраиваемым лазерным спектрометром SAM. Прибор показал, что в то время как концентрация метана поднимается и падает сезонно, его концентрация увеличивается примерно на 60% в летние месяцы по необъяснимым причинам. (На самом деле, метан также скачет случайным образом и резко. Ученые пытаются выяснить, почему.)
С новым открытием с концентрацией кислорода у команды Трейнер появляются новые вопросы. Может ли химический процесс, который движет естественными сезонными колебаниями метана, также управлять движением кислорода? По крайней мере, иногда концентрации двух газов, кажется, колеблются в тандеме.
«Мы начинаем видеть эту мучительную корреляцию между метаном и кислородом в течение большей части марсианского года», - сказал Атрейя. «Мне кажется, в этом что-то есть. Просто у меня пока нет ответов. Ни у кого нет».
Кислород и метан могут быть получены как биологически (из микробов, например), так и абиотически (с помощью химии, связанной с водой и горными породами). Ученые рассматривают все варианты, хотя у них нет убедительных доказательств биологической активности на Марсе. У Curiosity нет приборов, которые могли бы точно сказать, является ли источник метана или кислорода на Марсе биологическим или геологическим. Ученые ожидают, что небиологические объяснения более вероятны, и усердно работают, чтобы полностью понять их.
Команда Трейнера рассматривала марсианскую почву как источник дополнительного весеннего кислорода. Ведь известно, что она богата этим элементом, в виде таких соединений, как перекись водорода и перхлораты. Один эксперимент на спускаемых аппаратах Викинг показал десятилетия назад, что тепло и влажность могут высвобождать кислород из марсианской почвы. Но этот эксперимент проходил в условиях, совершенно отличных от марсианской весенней среды, и он не объясняет падение кислорода, среди прочих проблем. Другие возможные объяснения также не могут расставить все по полочкам. Например, высокоэнергетическое облучение почвы может повысить концентрацию O2 в воздухе, но потребуется миллион лет, чтобы накопить достаточное количество кислорода в почве, чтобы учесть ту вспышку концентрации, измеренной только одной весной, сообщают исследователи в своей статье.
«Мы пока не смогли придумать ни одного процесса, который производил бы необходимое нам количество кислорода, но мы думаем, что это должен быть процесс в поверхностной почве, которая меняется сезонно, потому что в атмосфере недостаточно доступных атомов кислорода, чтобы создать то поведение кислорода, которое мы видим», - сказал Тимоти Макконнохи, помощник научного сотрудника Университета Мэриленда в Колледж-Парке и еще один соавтор статьи.
Единственными предыдущими космическими аппаратами с приборами, способными измерять состав марсианского воздуха были близнецы Viking landers НАСА, которые прибыли на планету в 1976 году. Однако эксперименты викингов охватывали всего несколько марсианских дней, поэтому они не могли выявить сезонные закономерности различных газов. Измерения сделанные инструментом SAM на марсоходе Curiosity являются первыми, которые затрагивают сразу несколько сезонов. Команда SAM продолжит измерять атмосферные газы, чтобы ученые могли собирать более подробные данные в течение каждого сезона. В то же время, Трейнер и ее команда надеются, что другие специалисты по Марсу будут работать, чтобы решить эту загадку кислорода.
«Это первый раз, когда мы видим такое интересное поведение в течение нескольких лет. Но мы не совсем понимаем это», - сказала Трейнер. «Для меня это открытый призыв ко всем умным людям, которые заинтересованы в этом: посмотрите, что вы можете придумать».
По информации https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20191119195104
