Иногда на поверхности Марса марсоход Curiosity фиксирует резкие изменения в концентрации метана — газа, который на Земле, как правило, вырабатывается живыми организмами. Однако, обнаружить его в атмосфере с помощью спутников не удается. Этот парадокс вызвал продолжительные дискуссии среди ученых относительно наличия метана на Марсе и, если он там есть, как ему удается проявлять себя столь необычным образом. Попытку объяснить это предприняла группа планетологов из NASA.
На Земле метаногенные археи являются единственным биологическим источником метана, производя этот газ в отсутствие кислорода в процессе метаболизма. Помимо этого, метан может образовываться и другими способами, например, при вулканических извержениях, где присутствуют высокие температуры и давление.
Когда ученые впервые зафиксировали наличие метана на Марсе в 1999 году, используя наземный телескоп Canada-France-Hawaii Telescope, они были озадачены. С одной стороны, на Красной планете не было найдено надежных свидетельств существования жизни или ее присутствия в прошлом. С другой — на Марсе не выявили признаков вулканической активности: вулканическая активность в этом регионе прекратилась давно. Поэтому обнаружение этого газа на Марсе стало неожиданностью. Однако он был найден, и на данный момент неясно, как он туда попал.
Новые данные о метане на Марсе вызвали дополнительную путаницу благодаря роверу Curiosity. Приборы, установленные на борту «марсианской научной лаборатории на колесах», непрерывно фиксируют наличие этого газа вблизи поверхности кратера Гейла — пока что единственного места на Марсе, где он был обнаружен.
Изначально исследователи полагали, что причиной появления газа являются геологические процессы, в которых участвуют вода и горные породы, расположенные на большой глубине под поверхностью Марса. Согласно этой гипотезе, выбросы должны быть стабильными. Однако данные, полученные с марсохода Curiosity, противоречат этому предположению. Исследование показало, что метан демонстрирует нетипичное поведение: его концентрация возрастает в ночное время и снижается днем. Помимо этого, уровень метана над кратером Гейла колеблется в зависимости от времени года и эпизодически достигает значений, в 40 раз больших, чем обычно.
Необычным также является тот факт, что метан не обнаруживается в атмосфере планеты. Аппарат ExoMars Trace Gas Orbiter, принадлежащий Европейскому космическому агентству и запущенный на Марс в 2016 году для изучения газов в атмосфере, не зафиксировал его присутствия.
Почему некоторые научные приборы обнаруживают метан на Марсе, находясь недалеко от поверхности, а другие — нет? В чем причина необычного поведения этого газа и почему его фиксируют исключительно над кратером Гейла, но не в общей атмосфере?
В 2021 году команда марсохода Curiosity предприняла попытку ответить на первый вопрос, который перед ней встал. Тогда ученые предположили, ровер смог зафиксировать наличие метана, в то время как орбитальный зонд — нет, что объясняется различиями в способах его обнаружения. Разница может быть обусловлена конструкцией научных приборов. Кроме того, возможно, марсоход проводит измерения метана в ночное время, а орбитальный зонд — в дневное. NS уже освещал этот эксперимент, подробнее о котором можно ознакомиться в нашей статье.
Планетологи NASA во главе с Александром Павловым попытались найти ответ на второй вопрос. Результаты их исследования представлены в научной статье, опубликованной в журнале Geophysical Research: Planets.
Ученые полагают, что метан, вне зависимости от его происхождения, способен накапливаться под твердым слоем соли, формирующимся на небольшой глубине в марсианском грунте. Водой соль транспортируется к поверхности, где, замерзая вблизи холодной поверхности, образует корку. Повышение температуры летом приводит к образованию трещин в этой коре, через которые метан высвобождается. Также возможно, что газ прорывается из марсианских недр, когда слой соли подвергается давлению и раскалывается, например, из-за проезда тяжелого марсохода. Именно это предположение позволяет объяснить, почему метан был обнаружен исключительно в кратере Гейла.
Результаты экспериментов, проведенных учеными в камере, имитирующей марсианские условия, подтолкнули их к подобным выводам. Планетологи изучили пять образцов грунта, пропитанных перхлоратом разной концентрации. Перхлорат — соль, которая повсеместно встречается в марсианском грунте. Каждый образец испытывали при разных температурах и давлении в камере.
Команда Павлова регулярно добавляла в образцы неон, выполняющий роль метана, и фиксировала давление газа как под ними, так и над ними. Повышенное давление под образцами указывало на то, что газ поглощен грунтом. В дальнейшем, в период от трех до 13 дней, на поверхности грунта формировалась соленая корка, под которой газ начал скапливаться, но только в образцах с содержанием перхлората от пяти до 10 процентов.
Обнаруженная концентрация перхлората значительно превышает показатели, зарегистрированные марсоходом Curiosity при анализе образцов грунта в кратере Гейл. Однако этот грунт отличается высоким содержанием сульфатов – солей, которые команда Павлова планирует использовать в новом эксперименте для изучения возможности образования корки с метаном.
В заключение отметим, что эксперимент, проведенный в камере, имитирующей марсианскую среду, продемонстрировал, что вода способствует переносу перхлоратов к поверхности, после чего они кристаллизуются, формируя твердую корку. Под этой коркой могут скапливаться метан и другие летучие соединения, однако при создании давления – например, при бурении или движении марсохода – она раскалывается, и газ высвобождается.
Стоит указать, что гипотеза, предложенная группой Павлова, не охватывает всех аспектов вопроса. Это объясняется тем, что марсоход в ночное время всегда находится в состоянии покоя, поскольку это устройство управляется дистанционно, а не функционирует как автономный робот. Следовательно, он не способен своими колесами повредить верхний слой почвы. Кроме того, ночью на Марсе температура понижается на многие градусы. В соответствии с логикой предположений Павлова, это должно уменьшать вероятность выхода метана на поверхность планеты. Однако наблюдается обратная картина: метан просачивается на поверхность именно ночью, а днем необъяснимо исчезает, несмотря на значительное и быстрое повышение температуры.
В связи с этим, нельзя исключать и альтернативную интерпретацию — колебания концентрации метана. Установлено, что на поверхности Марса в теплые периоды 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 сделали открытие, что некоторые метаногенные микроорганизмы, обитающие на Земле вырабатывает собственный кислород. Если на Марсе сложились аналогичные условия, то выделение биогенного метана на поверхности (при «размораживании» верхнего слоя) может происходить преимущественно в ночное время, в то время как днем метанопотребляющие микроорганизмы разлагают его, приводя к образованию кислорода.