Время от времени у самой марсианской поверхности ровер Curiosity регистрирует скачки концентрации метана — газа, который на Земле обычно производят живые организмы. При этом со спутников в атмосфере в целом его найти не удается.
Этот парадокс породил среди ученых многолетние споры о том, есть ли метан на Марсе и если да, то как ему удается вести себя так парадоксально. Объяснить это попыталась команда планетологов из NASA.
На Земле единственный биологический источник метана — метаногенные археи, которые образуют этот газ в бескислородных условиях как побочный продукт метаболизма. Метан появляется и иным путем, в условиях высоких температур и давлений — скажем, при извержении вулканов.
Когда ученые впервые обнаружили метан на Марсе в 1999 году с помощью наземного телескопа Canada-France-Hawaii Telescope, они зашли в тупик. С одной стороны, на Красной планете не нашли убедительных доказательств существования жизни или ее наличия в далеком прошлом. С другой — на Марсе не выявили признаков вулканической активности: вулканы перестали извергаться там давно. То есть никто не ожидал обнаружить этот газ на Красной планете. Тем не менее его нашли, и пока никто не знает, как он там оказался.
Еще больше путаницы с метаном на Марсе внес ровер Curiosity. Исследовательские приборы, установленные на борту «марсианской научной лаборатории на колесах», постоянно регистрируют следы этого газа вблизи поверхности кратера Гейла — единственного места на Марсе, где до сих пор был обнаружен метан.
Ученые предполагали, что источник этого газа — геологические механизмы, которые задействуют воду и горные породы глубоко под марсианской поверхностью. В таком случае выбросы должны быть постоянными. Но Curiosity опроверг это предположение. Марсоход показал, что метан ведет себя неожиданным образом: появляется ночью и исчезает днем. Кроме того, концентрация метана над кратером Гейла меняется в зависимости от времени года, а иногда достигает уровня, в 40 раз превышающего обычный.
Еще одна странность: метан не накапливается в атмосфере. Орбитальный аппарат Европейского космического агентства ExoMars Trace Gas Orbiter, отправленный на Красную планету в 2016 году специально для изучения газа в атмосфере, не выявил там его следов.
Почему одни научные приборы регистрируют метан на Красной планете, то есть на небольшой высоте от поверхности, а другие — нет? Почему этот газ ведет себя странным образом и его фиксируют только в одном месте — над кратером Гейла, но не в атмосфере?
В 2021 году на первый вопрос попыталась ответить команда Curiosity. Тогда ученые предположили, что ровер смог найти метан, а орбитальный зонд — нет, из-за различий в методике обнаружения этого газа. Причина может быть в научных инструментах, точнее, в их разном устройстве. Также это может быть связано с тем, что марсоход ищет метан на Марсе ночью, а орбитальный зонд — днем.
Со вторым вопросом попробовали разобраться планетологи из NASA под руководством Александра Павлова. Свои выводы исследователи представили в статье, опубликованной в журнале Geophysical Research: Planets.
Ученые предположили, что метан — независимо от того, как он появляется — может накапливаться под твердой коркой соли, которая, в свою очередь, образуется в марсианском грунте на небольшой глубине. Соль переносится водой ближе к поверхности, а после замерзания воды близ холодной поверхности образует корку. Когда летом температура повышается, корка трескается и метан просачивается наружу. Кроме того, газ может вырываться из марсианских недр, когда на эту корку оказывается давление и она разламывается: например, давление может создавать тяжелый проезжающий марсоход. Последнее предположение объясняет, почему метан зафиксировали только в кратере Гейла.
На такие мысли ученых натолкнули результаты экспериментов, которые они ранее проводили в камере с имитацией марсианских условий. Планетологи исследовали пять образцов грунта, пропитанных перхлоратом разной концентрации. Перхлорат — соль, которая повсеместно встречается в марсианском грунте. Каждый образец подвергся воздействию различных температур и давлению в камере.
Периодически команда Павлова вводила в образцы неон, аналог метана, и измеряла давление газа под и над ними. Более высокое давление под образцами означало, что газ «захвачен» грунтом. Затем, в течение от трех до 13 дней, в грунте появлялась соленая корка, под которой начинал накапливаться газ, но только в образцах с концентрацией перхлората от пяти до 10 процентов.
Такая концентрация перхлората намного выше, чем зафиксированная Curiosity в реальном марсианском грунте в кратере Гейл. Но грунт там богат другим типом соли — сульфатами, которые команда Павлова хочет взять для нового эксперимента, чтобы выяснить, могут ли сульфаты образовывать корку с метаном.
Подытожим. Эксперимент в камере с имитацией марсианских условий показал, что перхлораты переносятся ближе к поверхности с помощью воды, а затем затвердевают, образуя твердую корку. Метан и другие летучие вещества могут накапливаться под ней, но под давлением (например, в результате бурения или движения марсохода) эта корка трескается, и из недр вырывается газ.
Отметим, что предположение группы Павлова закрывает только часть вопросов. Дело в том, что ночью марсоход всегда неподвижен, так как это телеуправляемая машина, а не автономный робот. Соответственно, он не может своими колесами нарушить целостность корки. К тому же ночью температура на Марсе падает на десятки градусов. В логике предположений Павлова это должно снижать вероятность просачивания метана на поверхность планеты. Однако он ведет себя строго наоборот: просачивается на поверхность ночью, а днем почему-то исчезает, несмотря на резкий и быстрый рост температур.
В связи с этим трудно исключать и альтернативное объяснение — быстрые вариации в уровне метана. Известно, что на поверхности Марса в теплые сезоны становится больше кислорода (синхронно с появлением метана). Иными словами, повышение температуры может запускать какие-то механизмы, способные одновременно высвобождать и метан, и кислород. Это достаточно нетривиально, потому что в земных условиях наработка кислорода обычно происходит в местах, где метан в дефиците.
Однако в 2010 году ученые обнаружили, что часть потребляющих метан микроорганизмов в земных условиях вырабатывает собственный кислород. Если на Марсе та же ситуация, то появление биогенного метана на поверхности (при «размораживании» приповерхностной корки) может активно идти ночью, а днем метанопотребляющие микробы просто разлагают этот метан, образуя кислород.
Автор: Игорь Байдов