Метан на Марс

Изворот на метан на Марс е непознат; неговото откривање е прикажано овде.

Пријавеното присуство на метан во атмосферата на Марс е од интерес за многу геолози и астробиолози, бидејќи метанот може да укаже на присуство на микробиолошки живот на Марс, или геохемиски процес како вулканизам или хидротермална активност.

Од 2004 година, количеството во трагови на метан (во опсег од 60 ppbv до под ограничување на детекција (< 0,05 ppbv)) се пријавени во различни мисии и набљудувачки проучувања. Изворот на метан на Марс и објаснувањето за огромната разлика во набљудуваните концентрации на метан сè уште се непознати и се во фаза на проучување. Секогаш кога ќе се открие метан, тој брзо се отстранува од атмосферата со ефикасен, но сепак непознат процес.

Историја на детекции

Модел на молекула на метан (CH₄).

Метанот (CH₄) е хемиски нестабилен во сегашната оксидирачка атмосфера на Марс. Брзо би се распаднал поради ултравиолетовото (УВ) зрачење од Сонцето и хемиските реакции со други гасови. Затоа, постојаното или епизодното присуство на метан во атмосферата може да имплицира постоење на извор за постојано надополнување на гасот.

Првиот доказ за метан во атмосферата бил измерен од орбитарот Марс Експрес на ЕСА со инструмент наречен Planetary Fourier Spectrometer. Во март 2004 година, научниот тим на Марс Експрес предложил присуство на метан во атмосферата во концентрација од околу 10 ppbv. Ова било потврдено набргу потоа од три копнени телескопски тимови, иако биле измерени големи разлики во изобилството помеѓу набљудувањата направени во 2003 и 2006 година. Оваа просторна и временска варијабилност на гасот сугерира дека метанот бил локално концентриран и веројатно сезонски. Се проценува дека Марс произведува 270 тони метан годишно.

Во 2011 година, научниците на НАСА објавиле сеопфатно пребарување со помош на инфрацрвена спектроскопија со висока резолуција од копнени опсерватории на висока надморска височина (VLT, Keck-2, NASA-IRTF) за траги од видови (вклучувајќи метан) на Марс, извлекувајќи чувствителни горни граници за метан (< 7 ppbv), етан (< 0.2 ppbv), метанол (< 19 ppbv) и други (H₂ CO, C₂H₂, C<sub id="mwWw">2</sub>H <sub id="mwXA">4</sub>, N₂O, NH₃, HCN, CH₃ Cl, HCl, HO₂ - сите со ограничувања на нивоа на ppbv).

Роверот Кјуриосити открил циклична сезонска варијација во атмосферскиот метан.

Во август 2012 година, роверот Кјуриосити слетал на Марс. Инструментите на роверот се способни да вршат прецизни мерења, но не можат да се користат за да се направи разлика помеѓу различни изотополози на метанот и затоа не може да се утврди дали е геофизичко или биолошко потекло. Сепак, Егзомарс орбитер може да ги измери овие соодноси и да укаже на нивното потекло.

На првите мерења со Кјуриосити во 2012 година е наведено дека нема метан-или помалку од 5 ppb- на местото на слетување, подоцна пресметано на основна линија од 0,3 до 0,7 ppbv. Во 2013 година, научниците на НАСА повторно не пријавиле детекција на метан надвор од основната линија. Но, во 2014 година, НАСА објавила дека роверот Кјуриосити забележал десеткратно зголемување на метанот во атмосферата кон крајот на 2013 и почетокот на 2014 година. Четири мерења направени во текот на два месеци во овој период во просек изнесувале 7,2 ppbv, што значи дека Марс епизодно произведува или ослободува метан од непознат извор. Пред и потоа, читањата биле во просек околу една десетина од тоа ниво. На 7 јуни 2018 година, НАСА објавила потврда за циклична сезонска варијација на нивото на позадината на атмосферскиот метан. Најголемата концентрација на метан откриена на самото место од роверот Кјуриосити покажал скок до 21 ppbv, за време на настан кон крајот на јуни 2019 година. Орбитерот на Марс Експрес се случило да изврши следење на местото во таа област 20 часа пред откривањето на метан на Кјуриосити, како и 24 и 48 часа по откривањето.

Индиската орбитарска мисија на Марс, која влегла во орбитата околу Марс на 24 септември 2014 година, е опремена со интерферометар Fabry-Pérot за мерење на атмосферскиот метан, но по влегувањето во орбитата на Марс било утврдено дека тој не е способен да детектира метан, така што инструментот бил пренаменет како албедо мапер. Од април 2019 година, испитувањата покажле дека концентрацијата на метан е под нивото што може да се открие (< 0,05 ppbv).

Роверот Персеверанс, (слетал во февруари 2021 година) и роверот Розалинд Френклин (подоцна во 2023 година) нема да бидат опремени да го анализираат атмосферскиот метан ниту неговите изотопи, така што предложената мисија за враќање на примерокот на Марс во средината на 2030-тите може да се анализира за да се разликува геолошкото од биолошкото потекло.

Потенцијални извори

Можни извори на метан на Марс.

Геофизички

Главните кандидати за потеклото на метанот на Марс вклучуваат небиолошки процеси како што се реакции на вода- карпи, радиолиза на вода и формирање на пирит, од кои сите произведуваат H₂ кој потоа може да генерира метан и други јаглеводороди преку синтезата на Фишер-Тропш со CO и CO₂. Исто така, се покажало дека метанот може да се произведе со процес кој вклучува вода, јаглерод диоксид и минералот оливин, за кој се знае дека е вообичаен на Марс. Потребните услови за оваа реакција (т.е. висока температура и притисок) не постојат на површината, но може да постојат во кората. Откривањето на минералниот нуспроизвод серпентинит би сугерирало дека овој процес се случува. Аналог на Земјата сугерира дека на Марс е можно производство и издишување на метан од серпентинизирани карпи на ниски температури. Друг можен геофизички извор може да биде антички метан заробен во гасни хидрати кои може да се ослободуваат повремено. Под претпоставка за ладна средина на почетокот на Марс, криосферата би можела да зароби таков метан како клатрати во стабилна форма на длабочина, што може да покаже спорадично ослободување.

На современата Земја, вулканизмот е помал извор на емисија на метан, и обично е придружен со гасови од сулфур диоксид. Сепак, неколку студии за гасови во трагови во атмосферата на Марс не пронашле докази за сулфур диоксид во атмосферата на Марс, што го прави вулканизмот на Марс малку веројатно да биде извор на метан. Иако се можни геолошки извори на метан, како што е серпентинизацијата, недостатокот на тековен вулканизам, хидротермална активност или жаришта не е поволен за геолошкиот метан.

Исто така, било предложено дека метанот може да се надополнува со метеорити кои влегуваат во атмосферата на Марс, но истражувачите од Кралскиот колеџ во Лондон откриле дека волумените на метан ослободен на овој начин се премногу ниски за да се одржат измерените нивоа на гасот. Се претпоставува дека метанот бил произведен од хемиски реакции во метеоритите, поттикнати од интензивната топлина за време на влегувањето низ атмосферата. Иако истражувањето објавено во декември 2009 година ја отфрлило оваа можност, истражувањето објавено во 2012 година сугерирало дека извор може да бидат органски соединенија на метеоритите кои се претвораат во метан со ултравиолетово зрачење.

Лабораториските тестови покажале дека може да се појават изливи на метан кога електричното празнење е во интеракција со воден мраз и CO₂. Испуштањата од електрификацијата на честички прашина од песочни бури и ѓаволска прашина во контакт со мраз може да произведе околу 1,41 × 10 ¹⁶ молекули на метан на џул на применетата енергија.

Сегашните фотохемиски модели не можат да ја објаснат очигледната брза варијабилност на нивоата на метан на Марс. Истражувањата сугерираат дека имплицираниот век на уништување на метан е долг ≈ 4 Земни години и кратки како ≈ 0,6 Земјини години. Оваа необјаснета брза стапка на уништување исто така сугерира многу активен извор на надополнување. Тим од италијанскиот Национален институт за астрофизика се сомнева дека метанот откриен од роверот Кјуриосити можеби бил ослободен од блиската област наречена Формација Медуза која се наоѓа на околу 500 километри источно од кратерот Гејл. Регионот е скршен и најверојатно има вулканско потекло.

Биогени

Живите микроорганизми, како што се метаногените, се уште еден можен извор, но на Марс не е пронајден доказ за присуство на такви организми. Во океаните на Земјата, биолошкото производство на метан има тенденција да биде придружено со етан (Предлошка:Хем). Долгорочното земно спектроскопско набљудување не ги нашло овие органски молекули во атмосферата на Марс. Со оглед на очекуваниот долг животен век за некои од овие молекули, емисијата на биогени органски материи се чини дека е исклучително ретка или моментално непостоечка.

Редукцијата на јаглерод диоксид во метан со реакција со водород може да се изрази на следниов начин:

$\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$ (∆G˚' = -134 kJ/mol CH₄)

Оваа реакција на C ₂ со водородот за производство на метан е поврзана со генерирање на електрохемиски градиент низ клеточната мембрана, кој се користи за генерирање на АТП преку хемиозмоза. Спротивно на тоа, растенијата и алгите ја добиваат својата енергија од сончева светлина или О<sub id="mwATg">2</sub>.

Мерењето на односот на нивоата на водород и метан на Марс може да помогне да се одреди веројатноста за живот на Марс. Низок сооднос H₂ / CH₄ во атмосферата (помал од приближно 40) може да укаже дека голем дел од атмосферскиот метан може да се припише на биолошките активности, но забележаните соодноси во долната атмосфера на Марс биле „приближно 10 пати“ повисоки „што сугерира дека биолошките процеси можеби не се одговорни за набљудуваниот CH₄“.

Од откривањето на метан во атмосферата во 2003 година, некои научници дизајнирале модели и ин витро експерименти за тестирање на растот на метаногени бактерии на симулирана почва на Марс, каде што сите четири тестирани соеви на метаноген произвеле значителни нивоа на метан, дури и во присуство на 1,0 wt. % перхлоратна сол. Метаногените не бараат кислород или органски хранливи материи, не се фотосинтетички, користат водород како извор на енергија и јаглерод диоксид (CO₂) како извор на јаглерод, така што тие би можеле да постојат во подземните средини на Марс. Ако микроскопскиот живот на Марс произведува метан, тој веројатно се наоѓа далеку под површината, каде што сè уште е доволно топло за да постои течна вода.

Истражувањето на Универзитетот во Арканзас објавено во 2015 година сугерирало дека некои метаногени би можеле да преживеат на низок притисок на Марс во средина слична на подповршинскиот течен водоносен слој на Марс.

Тимот предводен од Гилберт Левин сугерирал дека и двата феномени - производството и деградацијата на метан - може да се објаснат со екологија на микроорганизми кои произведуваат метан и трошат метан.

Дури и ако мисиите на ровери утврдат дека микроскопскиот живот на Марс е сезонскиот извор на метанот, формите на живот веројатно живеат далеку под површината, надвор од дофатот на роверот.