MarsWczesna gęsta atmosfera mogła zostać uwięziona w gliniastej powierzchni planety
Naukowcy z MIT sugerują, że niegdyś gęsta atmosfera Marsa może zostać uwięziona w rozległych złożach gliny, potencjalnie przechowując znaczne ilości dwutlenku węgla w postaci metanu. Odkrycie to otwiera możliwość wykorzystania tych zasobów w przyszłych misjach marsjańskich, rzucając światło na historyczne zmiany klimatyczne planety i jej zdolność do podtrzymywania życia.
Tajemnica zanikającej atmosfery Marsa
Mars nie zawsze był jałową, zimną pustynią, którą widzimy dzisiaj. Istnieje coraz więcej dowodów na to, że miliardy lat temu na powierzchni Czerwonej Planety płynęła woda. A jeśli była woda, musiała też istnieć gęsta atmosfera, która zapobiegała zamarznięciu wody. Jednak około 3,5 miliarda lat temu woda wyschła, a powietrze, niegdyś ciężkie od dwutlenku węgla, dramatycznie się rozrzedziło, pozostawiając jedynie skrawek atmosfery, która dzisiaj przylega do planety.
Gdzie dokładnie podziała się atmosfera Marsa? To pytanie stanowiło główną zagadkę dla naukowców badających historię Marsa trwającą 4,6 miliarda lat.
Clay: Ukryta krypta marsjańskiej atmosfery
Dla dwóch geologów z MIT odpowiedź może leżeć w glinie planety. W artykule opublikowanym 25 września w czasopiśmie Postęp naukisugerują, że znaczna część brakującej atmosfery Marsa może być zamknięta w pokrytej gliną skorupie planety.
Zespół dowodzi, że chociaż na Marsie była woda, ciecz mogła przedostać się przez określone rodzaje skał i zapoczątkować powolny łańcuch reakcji, w wyniku których dwutlenek węgla był stopniowo usuwany z atmosfery i przekształcany w metan – formę węgla. które mogłyby być przechowywane przez eony na gliniastej powierzchni planety.
„W tym momencie historii Marsa uważamy, że CO2 jest wszędzie, w każdym zakamarku i szczelinie, a woda przenikająca przez skały również jest pełna CO2”. Joshua Murray
Podobne procesy zachodzą w niektórych regionach Ziemi. Naukowcy wykorzystali swoją wiedzę na temat interakcji między skałami i gazami na Ziemi i zastosowali ją do badania, w jaki sposób podobne procesy mogą zachodzić na Marsie. Odkryli, że biorąc pod uwagę szacunkową ilość gliny pokrywającą powierzchnię Marsa, glina planety może pomieścić do 1,7 bara dwutlenku węgla, co odpowiada około 80 procent początkowej, wczesnej atmosfery planety.
Naukowcy sugerują, że możliwe jest, że pewnego dnia ten zamaskowany marsjański węgiel uda się odzyskać i przekształcić w paliwo, które będzie napędzać przyszłe misje między Marsem a Ziemią.
„Na podstawie naszych odkryć na Ziemi pokazujemy, że podobne procesy prawdopodobnie zachodziły na Marsie i że duże ilości atmosferycznego CO2 mógł przekształcić się w metan i zostać uwięziony w glinach” – mówi autor badania Oliver Jagoutz, profesor geologii na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach (EAPS) MIT. „Ten metan może nadal być obecny na Marsie, a może nawet zostać w przyszłości wykorzystany jako źródło energii na Marsie”.
Głównym autorem badania jest niedawny absolwent EAPS, doktor Joshua Murray, ’24.
Badanie procesów geologicznych Marsa
Grupa Jagoutza z MIT stara się zidentyfikować procesy geologiczne i interakcje, które napędzają ewolucję litosfery Ziemi — twardej i kruchej warstwy zewnętrznej obejmującej skorupę i górny płaszcz, w którym znajdują się płyty tektoniczne.
W 2023 roku on i Murray skupili się na rodzaju powierzchniowego minerału ilastego zwanego smektytem, o którym wiadomo, że jest bardzo skuteczną pułapką węgla. W jednym ziarnie smektytu znajduje się wiele fałd, w których węgiel może pozostać niezakłócony przez miliardy lat. Wykazali, że smektyt na Ziemi prawdopodobnie powstał w wyniku aktywności tektonicznej i że po wydobyciu na powierzchnię minerały ilaste pobierały i magazynowały z atmosfery wystarczającą ilość dwutlenku węgla, aby chłodzić planetę przez miliony lat.
Zaraz po drużynie ogłosili swoje wynikiJagoutz przypadkiem spojrzał na mapę powierzchni Marsa i zdał sobie sprawę, że znaczna część powierzchni tej planety pokryta jest tymi samymi glinami smektytowymi. Czy gliny mogły mieć podobny efekt wychwytywania węgla na Marsie, a jeśli tak, to ile węgla mogły pomieścić gliny?
„Wiemy, że ten proces ma miejsce i jest dobrze udokumentowany na Ziemi. A te skały i gliny istnieją na Marsie” – mówi Jagoutz. „Chcieliśmy więc spróbować połączyć kropki”.
Unikalne cechy geologiczne Marsa
W przeciwieństwie do Ziemi, gdzie smektyt jest konsekwencją przesuwania się i wynurzania płyt kontynentalnych w celu wyniesienia skał z płaszcza na powierzchnię, na Marsie nie ma takiej aktywności tektonicznej. Zespół szukał sposobów powstawania glinek na Marsie, opierając się na wiedzy naukowców na temat historii i składu planety.
Na przykład niektóre odległe pomiary powierzchni Marsa sugerują, że przynajmniej część skorupy planety zawiera ultramaficzne skały magmowe, podobne do tych, które wytwarzają smektyty w wyniku wietrzenia na Ziemi. Inne obserwacje ujawniają wzorce geologiczne podobne do ziemskich rzek i dopływów, przez które woda mogła płynąć i wchodzić w reakcję z leżącą pod spodem skałą.
Jagoutz i Murray zastanawiali się, czy woda mogła zareagować z głębokimi ultramaficznymi skałami Marsa w sposób, który spowodowałby powstanie glin pokrywających dzisiejszą powierzchnię. Opracowali prosty model chemii skał w oparciu o wiedzę na temat interakcji skał magmowych ze środowiskiem na Ziemi.
Zastosowali ten model do badania Marsa, którego zdaniem naukowców skorupa składa się głównie ze skał magmowych bogatych w mineralny oliwin. Zespół wykorzystał ten model do oszacowania zmian, jakim mogą podlegać skały bogate w oliwin, zakładając, że woda istniała na powierzchni przez co najmniej miliard lat, a atmosfera była gęsta od dwutlenku węgla.
„W tym momencie historii Marsa uważamy, że CO2 jest wszędzie, w każdym zakamarku, a woda przenikająca przez skały jest pełna CO2 też” – mówi Murray.
W ciągu około miliarda lat woda spływająca przez skorupę powoli reagowałaby z oliwinem – minerałem bogatym w zredukowaną formę żelaza. Cząsteczki tlenu w wodzie związałyby się z żelazem, uwalniając w rezultacie wodór i tworząc utlenione na czerwono żelazo, które nadaje planecie kultowy kolor. Ten wolny wodór połączyłby się następnie z dwutlenkiem węgla zawartym w wodzie, tworząc metan. W miarę postępu tej reakcji oliwin powoli przekształcał się w inny rodzaj skały bogatej w żelazo, zwanej serpentyną, która następnie w dalszym ciągu reagowała z wodą, tworząc smektyt.
Konsekwencje dla klimatu Marsa i przyszłych eksploracji
„Te glinki smektytowe mają ogromną zdolność do magazynowania węgla” – mówi Murray. „Następnie wykorzystaliśmy istniejącą wiedzę na temat przechowywania tych minerałów w glinach na Ziemi i dokonaliśmy ekstrapolacji, aby stwierdzić, czy jeśli powierzchnia Marsa zawiera tak dużo gliny, ile metanu można przechowywać w tych glinach?”
On i Jagoutz odkryli, że jeśli Mars pokryty jest warstwą smektytu o głębokości 1100 metrów, ta ilość gliny mogłaby zmagazynować ogromną ilość metanu, równoważną większości dwutlenku węgla w atmosferze, który, jak się uważa, zniknął od czasu planeta wyschła.
„Odkryliśmy, że szacunki globalnych ilości gliny na Marsie odpowiadają znacznej części początkowej zawartości CO na Marsie2 są sekwestrowane jako związki organiczne w skorupie bogatej w glinę” – mówi Murray. „W pewnym sensie brakująca atmosfera Marsa może być widoczna na widoku.”
„Gdzie CO2 powstał z wczesnej, gęstszej atmosfery, to fundamentalne pytanie w historii atmosfery Marsa, jej klimatu i możliwości zamieszkiwania przez drobnoustroje” – mówi Bruce Jakosky, emerytowany profesor geologii na Uniwersytecie Kolorado i główny badacz atmosfery Marsa i Misja Volatile Evolution (MAVEN), która od 2014 r. krąży wokół Marsa i bada górne warstwy atmosfery Marsa. Jakosky nie był zaangażowany w obecne badania. „Murray i Jagoutz badają chemiczne oddziaływanie skał z atmosferą pod kątem usuwania CO2. Nasze szacunki dotyczące intensywności wietrzenia wskazują, że może to być główny proces usuwania CO2 z wczesnej atmosfery Marsa.”
Odniesienie: „Przemiana oliwinu i utrata wczesnego węgla atmosferycznego Marsa”, Joshua Murray i Oliver Jagoutz, 25 września 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adm8443
Prace te były częściowo wspierane przez Narodową Fundację Nauki.
