Эта схема иллюстрирует постепенное изменение богатых железом пород на Марсе, поскольку породы взаимодействуют с водой, содержащей CO2 из атмосферы. За несколько миллиардов лет этот процесс мог сохранить достаточно CO2 на глинистой поверхности в форме метана, чтобы объяснить большую часть CO2, который исчез из ранней атмосферы планеты. Автор: Джошуа Мюррей, Оливер Ягуц и др.
Марс не всегда был холодной пустыней, которую мы видим сегодня. Появляется все больше доказательств того, что вода когда-то текла по поверхности красной планеты, миллиарды лет назад. И если там была вода, должна была быть и плотная атмосфера, которая не давала этой воде замерзать. Но где-то около 3,5 миллиардов лет назад вода высохла, а воздух, когда-то тяжелый от углекислого газа, резко истончился, оставив только клочек атмосферы, который цепляется за планету сегодня.
Куда именно делась атмосфера Марса? Этот вопрос был центральной загадкой 4,6-миллиардной истории Марса.
Для двух геологов MIT ответ может заключаться в глине планеты. В статье, опубликованной в Science Advances, они предполагают, что большая часть недостающей атмосферы Марса может быть заперта в покрытой глиной коре планеты. Ведущий автор исследования — недавний выпускник EAPS Джошуа Мюррей, доктор философии '24.
Команда утверждает, что, хотя на Марсе и присутствовала вода, жидкость могла просочиться через определенные типы горных пород и запустить медленную цепочку реакций, в результате которых углекислый газ постепенно вытягивался из атмосферы и превращался в метан — форму углерода, которая могла храниться в течение многих веков на глинистой поверхности планеты.
Похожие процессы происходят в некоторых регионах Земли. Исследователи использовали свои знания о взаимодействии между горными породами и газами на Земле и применили их к тому, как подобные процессы могут происходить на Марсе. Они обнаружили, что, учитывая, сколько глины, по оценкам, покрывает поверхность Марса, глина планеты может удерживать до 1,7 бар углекислого газа, что эквивалентно примерно 80% первоначальной, ранней атмосферы планеты.
Исследователи предполагают, что однажды этот изолированный марсианский углерод можно будет извлечь и превратить в топливо для будущих миссий между Марсом и Землей.
«Основываясь на наших открытиях на Земле, мы показываем, что на Марсе, вероятно, происходили похожие процессы, и что огромное количество атмосферного CO2 могло преобразоваться в метан и быть изолировано в глинах», — говорит автор исследования Оливер Ягуц, профессор геологии на кафедре наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Этот метан все еще может присутствовать и, возможно, даже использоваться в качестве источника энергии на Марсе в будущем».
В складках
Группа Ягуца в Массачусетском технологическом институте стремится определить геологические процессы и взаимодействия, которые управляют эволюцией литосферы Земли — твердого и хрупкого внешнего слоя, включающего кору и верхнюю мантию, где залегают тектонические плиты.
В 2023 году он и Мюррей сосредоточились на типе поверхностного глинистого минерала, называемого смектитом, который, как известно, является высокоэффективной ловушкой для углерода. Внутри одного зерна смектита находится множество складок, в которых углерод может находиться в состоянии покоя в течение миллиардов лет. Они показали, что смектит на Земле, вероятно, является продуктом тектонической активности, и что, оказавшись на поверхности, глинистые минералы действовали, чтобы втянуть и сохранить достаточно углекислого газа из атмосферы, чтобы охладить планету в течение миллионов лет.
Вскоре после того, как команда сообщила о своих результатах, Ягуц случайно взглянул на карту поверхности Марса и понял, что большая часть поверхности этой планеты покрыта теми же смектитовыми глинами. Могли ли глины оказывать схожий эффект улавливания углерода на Марсе, и если да, то сколько углерода могли удерживать глины?
«Мы знаем, что этот процесс происходит, и он хорошо задокументирован на Земле. И эти камни и глины существуют на Марсе», — говорит Ягуц. «Поэтому мы хотели попытаться связать все точки».
«Каждый уголок и щель»
В отличие от Земли, где смектит является следствием смещения и поднятия континентальных плит, которые выносят породы из мантии на поверхность, на Марсе такой тектонической активности нет. Команда искала пути, по которым глины могли образоваться на Марсе, основываясь на том, что ученые знают об истории и составе планеты.
Например, некоторые удаленные измерения поверхности Марса показывают, что по крайней мере часть коры планеты содержит ультрамафические магматические породы, похожие на те, которые производят смектиты в результате выветривания на Земле. Другие наблюдения выявляют геологические закономерности, похожие на земные реки и притоки, где вода могла течь и реагировать с подстилающей породой.
Ягуц и Мюррей задались вопросом, могла ли вода реагировать с глубокими ультрамафическими породами Марса таким образом, что образовались глины, покрывающие поверхность сегодня. Они разработали простую модель химии горных пород, основанную на том, что известно о том, как магматические породы взаимодействуют с окружающей средой на Земле.
Они применили эту модель к Марсу, где, по мнению ученых, кора в основном состоит из магматической породы, богатой минералом оливином. Команда использовала модель для оценки изменений, которые может претерпеть богатая оливином порода, предполагая, что вода существовала на поверхности по крайней мере миллиард лет, а атмосфера была насыщена углекислым газом.
«На данном этапе истории Марса мы считаем, что CO2 присутствует повсюду, в каждом уголке и щели, и вода, просачивающаяся через породы, также полна CO2», — говорит Мюррей.
На протяжении примерно миллиарда лет вода, просачивающаяся сквозь кору, медленно реагировала с оливином — минералом, богатым восстановленной формой железа. Молекулы кислорода в воде связывались с железом, в результате чего выделялся водород и образовывалось красное окисленное железо, которое придает планете ее знаковый цвет.
Этот свободный водород затем соединился бы с углекислым газом в воде, образовав метан. По мере того, как эта реакция развивалась с течением времени, оливин медленно трансформировался в другой тип богатой железом породы, известный как серпентин, который затем продолжил реагировать с водой, образуя смектит.
«Эти смектитовые глины обладают большой способностью хранить углерод», — говорит Мюррей. «Поэтому мы использовали имеющиеся знания о том, как эти минералы хранятся в глинах на Земле, и экстраполировали, чтобы сказать, если на поверхности Марса столько глины, сколько метана можно хранить в этих глинах?»
Он и Ягуц обнаружили, что если Марс покрыт слоем смектита толщиной 1100 метров, то этот объем глины может хранить огромное количество метана, эквивалентное большей части углекислого газа в атмосфере, который, как считается, исчез с тех пор, как планета высохла.
«Мы обнаружили, что оценки глобальных объемов глины на Марсе согласуются с тем, что значительная часть изначального CO2 Марса была изолирована в виде органических соединений в богатой глиной коре», — говорит Мюррей. «В некотором смысле, отсутствующая атмосфера Марса может скрываться на виду».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом
