Czy inne gazy mogą pomóc wyjaśnić tajemnicę marsjańskiego metanu?
Artystyczna ilustracja wspólnego europejsko-rosyjskiego Trace Gas Orbiter (TGO), który od 2016 roku krąży wokół Marsa. Zdjęcie za pośrednictwem ESA/ATG medialab/Space.com.
Trwa coroczna kampania crowdfundingowa EarthSky. W 2020 roku przekazujemy 8,5% wszystkich przychodów na rzecz No Kids Hungry. Kliknij, aby dowiedzieć się więcej i przekazać darowiznę.
Czy metan w atmosferze Marsa ma pochodzenie geologiczne, powstałe w wyniku procesów zachodzących w skałach marsjańskich? Czy może to być?oznaka życia? Metan marsjański został wykryty przez teleskopy na Ziemi, orbitujące statki kosmiczne, a nawetCiekawość łazikNa Marsie. Tymczasem naukowcy Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) byli sfrustrowani brakiem wykrywania metanu przez ich orbiter Trace Gas Orbiter (TGO) - częśćExoMarsmisja – częściowo zaprojektowana specjalnie do pomiaru metanu. Orbiter krąży wokół Marsa od 2016 roku, ale jak dotąd nie ma metanu. Teraz naukowcy myślą, że mają odpowiedź.
Nowe odkrycia pochodzą od naukowców z Wielkiej Brytanii i Rosji. Mogą pomóc wyjaśnić, dlaczego TGO nie wykryło metanu na Marsie, ESA mazgłoszone. Odpowiedź dotyczy dwóch innych gazów w atmosferze, dwutlenku węgla (CO2) i ozonu (O3).
Naukowcy opublikowali dwa nowerecenzowanereferaty w dniu 27.07.2020 r. wAstronomia i astrofizyka. Jeden zajmuje siędwutlenek węglawykrywanie i inne zozon.
Chociaż TGO nadal nie wykryło bezpośrednio metanu, dokonało kolejnego intrygującego odkrycia, które może wyjaśnić, dlaczego. Wykrył zarówno dwutlenek węgla, jak i ozon w regionach, w których spodziewano się obecności metanu. Oba gazy znane są od dawna, a atmosfera Marsa składa się głównie z dwutlenku węgla, więc dlaczego jest to zaskakujące?
Sygnatury spektralne dwutlenku węgla (po lewej) i ozonu (po prawej) na Marsie, wykryte przez instrument ACS na Trace Gas Orbiter (TGO). Zdjęcie za pośrednictwem Olsen et al./TEN.
Kevin Olsenz Uniwersytetu Oksfordzkiego, który prowadził badanie w Wielkiej Brytanii, wyjaśnił w pewnymoświadczenie:
Te cechy są zarówno zagadkowe, jak i zaskakujące.
Leżą dokładnie w zakresie długości fal, w którym spodziewaliśmy się zobaczyć najsilniejsze oznaki metanu. Przed tym odkryciem cecha CO2 była całkowicie nieznana i po raz pierwszy ozon na Marsie został zidentyfikowany w tej części zakresu podczerwieni.
TGO przeprowadziło obserwacje po badaniu marsjańskiej atmosfery przez cały rok marsjański, używając swojego Atmospheric Chemistry Suite (ACS). ACS jest niezwykle czuła i może pokazać naukowcom, jak te gazy oddziałują ze światłem. Badacze byliniespodziewając się zobaczyć ozon w częścipodczerwieńzakres długości fal, w którym spodziewano się obecności metanu. Poprzednie obserwacje opierały się na zauważeniu sygnatury ozonu wultrafioletowy, technika, która umożliwiała pomiary tylko na dużych wysokościach (ponad 20 km [12 mil] nad powierzchnią). ACS może jednak mapować ozon również na niższych wysokościach. Z papieru ozonowego:
Przedstawiamy pierwszą obserwację cech spektralnych marsjańskiego ozonu (O3) w zakresie średniej podczerwieni za pomocą kanału Atmospheric Chemistry Suite Mid-InfaRed (MIR),spektrometrdziałający w trybie zaciemnienia Słońca z najlepszą rozdzielczością widmową spośród wszystkich misji teledetekcyjnych na Marsa.
Możliwość jednoczesnego rozwiązania tych problemówgatunekma wpływ na obecne i przeszłe próby pomiaru obfitości metanu w atmosferze Marsa.
W tym regionie i okresie, odpowiadającym północnej równonocy jesiennej, byliśmy w stanie zaobserwować znaczne ilości ozonu w średniej podczerwieni na wysokościach poniżej 30 km [19 mil].
Absorpcja ozonu poniżej 30 km w zakresie średniej podczerwieni ma ważne implikacje dla poszukiwań metanu atmosferycznego. Dotychczasowe obserwacje metanu w atmosferze Marsa (Formisano et al. 2004; Krasnopolsky et al. 2004; Mumma et al. 2009; Webster et al. 2015) były motorem rozwoju misji ExoMars TGO. CH4 powinien mieć stosunkowo krótki czas życia w atmosferze Marsa (kilkaset lat), co oznacza, że obecne obserwacje wymagają aktywnego źródła (Lefèvre i Forget 2009). Kluczowym celem misji TGO jest ustalenie z całą pewnością, czy CH4 jest obecny w atmosferze Marsa i jaka jest jego zmienność przestrzenna i czasowa oraz zlokalizowanie wszelkich możliwych źródeł. Ta historia jest nadal intrygująca, ponieważ pierwsze wyniki TGO wskazywały na górną granicę rzędu 50 pptv (Korablev i in. 2019), a obserwacje ACS MIR nadal ujawniają brak metanu po jednym roku amerykańskim. Zamiast tego znaleźliśmy rzadkie i wcześniej niewykryte sygnatury O3 i nowe pasmo dipola magnetycznego CO2 (Trokhimovskiy i in. 2020).
Kolejny wykres ukazujący nieoczekiwaną sygnaturę dwutlenku węgla – pasmo absorpcji dipola magnetycznego cząsteczki – wykryte przez instrument ACS na Trace Gas Orbiter (TGO). Zdjęcie za pośrednictwem Trokhimovskiy et al./TEN.
ACS dostrzegło również dwutlenek węgla w zakresie długości fal podczerwonych, gdzie spodziewali się zobaczyć metan, co również było nieoczekiwane.Aleksander Trochimowskiz Instytutu Badań Kosmicznych Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie, który kierował rosyjskimi badaniami, powiedział:
Odkrycie nieprzewidzianej sygnatury CO2, w której polujemy na metan, ma duże znaczenie. Sygnatura ta nie mogła być wcześniej wyjaśniona i dlatego mogła odgrywać rolę w wykrywaniu niewielkich ilości metanu na Marsie.
JakodnotowanyMeghan Bartels w artykule dlaSpace.com, dziwne ustawienie tych dwóch gazów, w których oczekiwano metanu, sugeruje, że zakłócają one wykrywanie metanu przez TGO. Z papieru ozonowego:
Zaobserwowana sygnatura spektralna ozonu przy 3000–3060 cm -1 bezpośrednio pokrywa się z zakresem widma pasma wibracyjno-rotacyjnego metanu (CH4) v3 i wraz z nowo odkrytym pasmem CO2 w tym samym regionie może zakłócać pomiary obfitości metanu.
Porównanie atmosfer Marsa i Ziemi. Obraz przezTEN.
Historia kluczowych pomiarów metanu na Marsie od 1999 do 2018 roku. Zdjęcie viaTEN.
Odkrycia te nie są bezpośrednio sprzeczne z wynikami innych misji, ponieważ obserwacje zostały wykonane w większości w innym czasie niż te, w których wykryto metan, a TGO ma na celu wywąchanie bardzo małych ilości metanu, a nie większych pióropuszy, jak widzieliśmy wcześniej (chociaż nawet te pióropusze są bardzo małe w porównaniu z pióropuszami metanu na Ziemi). Olsen powiedział:
W rzeczywistości aktywnie pracujemy nad koordynacją pomiarów z innymi misjami. Zamiast kwestionować jakiekolwiek wcześniejsze twierdzenia, odkrycie to motywuje wszystkie zespoły do bliższego przyjrzenia się; im więcej wiemy, tym głębiej i dokładniej możemy badać atmosferę Marsa.
Badacze zastanawiali się, czy wcześniejsze obserwacje z Ziemi,Mars Express(przy użyciu planetarnego spektrometru Fouriera, lubPFS) lub ciekawość (za pomocą przestrajalnego spektrometru laserowego lubTLS), mógł pomylić dwutlenek węgla i/lub ozon z niektórymi pomiarami metanu, ale uważa się to za mało prawdopodobne. Z papieru ozonowego:
Same CO2 i O3 nie mogą tłumaczyć wykrycia dokonanych przez oba zespoły. W przypadku PFS nieznane wcześniej cechy CO2 miałyby taki sam wpływ na wszystkie obserwacje, ponieważ CO2 jest zawsze obecny i dobrze wymieszany. Zespół PFS zamiast tego zidentyfikował CH4 tylko w niewielkiej liczbie obserwacji (Formisano i wsp. 2004; Giuranna i wsp. 2019). Co więcej, obliczyliśmy widma z O3 w ilościach dwu i trzykrotnie większych niż w naszych obserwacjach, a sama wielkość CH4 obserwowana przez tych ostatnich autorów (15 ppbv) jest zbyt duża, aby łatwo ją pomylić z O3.
W przypadku TLS, który wykonuje pomiary CH4 na powierzchni i głównie w nocy, gdzie i kiedy obfitość O3 jest największa, ponownie jest mało prawdopodobne, aby zaobserwowana duża ilość CH4 (do 9 ppbv) była wynikiem O3, jednak te ostatnie mogą zakłócać pomiar poziomu tła metanu w tak zwanym trybie wzbogaconym, ponieważ zarówno ozon, jak i metan powinny utrzymywać to samo wzbogacenie.
W przypadku obserwacji naziemnych, silna absorpcja O3 z atmosfery ziemskiej musi zostać najpierw usunięta przed ustaleniem proporcji mieszania dla Marsa (Krasnopolsky 2012; Mumma et al. 2009); Należy uwzględnić O3, chociaż ten krok utrudnia wyszukiwanie (Zahnle et al. 2011). Wreszcie, w przypadku wszystkich poprzednich obserwacji, szybka ewolucja i zanikanie CH4 nadal nie są wyjaśnione, chociaż chemia ozonu jest bardzo szybka, a czas życia wynosi kilka dni.
Możliwe metody, za pomocą których naukowcy sądzą, że metan może być wytwarzany i niszczony na Marsie. Obraz przezTEN.
Wyniki nie tylko pomogą naukowcom w lepszym śledzeniu metanu, ale także dowiedzą się więcej o ogólnej marsjańskiej atmosferze. Aleksander powiedział:
Te odkrycia pozwalają nam zbudować pełniejsze zrozumienie naszego planetarnego sąsiada.
Ozon i CO2 są ważne w atmosferze Marsa. Nie uwzględniając właściwie tych gazów, narażamy się na ryzyko błędnego scharakteryzowania obserwowanych zjawisk lub właściwości.
Razem te dwa badania stanowią znaczący krok w kierunku ujawnienia prawdziwych cech Marsa: w kierunku nowego poziomu dokładności i zrozumienia.
Główną misją TGO jest wykrywanie gazów śladowych, które mogą pochodzić z procesów geologicznych lub biologicznych. Ogólnie misja ExoMars jest wspólnym wysiłkiem Europy i Rosji. Według naukowca projektu TGOHåkan Svedhem:
Odkrycia te są bezpośrednim wynikiem niezwykle udanej i trwającej współpracy między naukowcami europejskimi i rosyjskimi w ramach ExoMars.
Wyznaczają nowe standardy dla przyszłych obserwacji spektralnych i pomogą nam nakreślić pełniejszy obraz właściwości atmosferycznych Marsa – w tym, gdzie i kiedy może znajdować się metan, co pozostaje kluczowym pytaniem w eksploracji Marsa.
Ponadto odkrycia te skłonią do dokładnej analizy wszystkich istotnych danych, które zebraliśmy do tej pory – a perspektywa nowego odkrycia w ten sposób jest jak zawsze bardzo ekscytująca. Każda informacja ujawniona przez sondę ExoMars Trace Gas Orbiter oznacza postęp w kierunku dokładniejszego zrozumienia Marsa i przybliża nas o krok do rozwikłania tajemnic planety.
Kevin Olsen z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii, który kierował badaniem ozonu na Marsie. Obraz przezUniwersytet Oksfordzki.
Nadal nie znamy pochodzenia marsjańskiego metanu, ale nowe badania z Europy i Rosji dotyczące innych gazów w atmosferze pomogą udoskonalić i zawęzić możliwości.
Konkluzja: orbiter TGO ESA nieoczekiwanie wykrył dwutlenek węgla i ozon w atmosferze Marsa, gdzie powinien znajdować się nieuchwytny metan.
Źródło: Pierwsze wykrycie ozonu w średniej podczerwieni na Marsie: implikacje dla wykrywania metanu