Палеоклиматические эпохи на Марсе. Фото: Nature Communications (2024 г.). DOI: 10.1038/s41467-024-47326-0
Как и Земля, Марс образовался около 4,5 миллиардов лет назад, но его ранняя поверхность сильно отличалась от сегодняшней. На поверхности Марса в то время наблюдалось большое количество ударов метеоритов и астероидов в период, известный как Поздняя тяжелая бомбардировка. Но тогда как сегодняшний Марс холоден, засушлив, имеет два ледяных полюса с окислительной атмосферой (где, например, богатые железом материалы ржавеют), ранний Марс характеризовался ледяными высокогорьями, эпизодическим теплом и восстановительной атмосферой.
Причина кульминационного перехода остается неясной. Теперь исследовательская группа из Китая находит доказательства того, что окисление атмосферы привело к тому, что Марс в ранней истории был холодным и биполярным. Их работа опубликована в журнале Nature Communications.
Нойский период — это ранний период на Марсе с высокой частотой столкновений с астероидами и, возможно, с наличием большого количества поверхностной воды. Точный интервал неизвестен, но нойская эра, вероятно, началась между 4,1 и 3,7 миллиарда лет назад. За ней последовала гесперианская эра, 3,7–3,0 миллиарда лет назад.
Данные, появившиеся в последние годы, свидетельствуют о том, что на раннем этапе Марса в атмосфере преобладал углекислый газ (CO2) с восстановительными газами, такими как водород. В восстановительной атмосфере окисление предотвращается отсутствием кислорода и других окислительных газов, а газы-восстановители, такие как водород, окись углерода и метан, легко поглощают любой кислород и, в случае водорода, превращаются в фазу воды. .
Восстановительная атмосфера может создать сильный парниковый эффект, который, возможно, сыграл значительную роль в потеплении раннего Марса. Поскольку интенсивность парникового потепления тесно связана с присутствием восстановительных газов, окисление атмосферы тогда привело бы к похолоданию, наблюдаемому сегодня. (Парниковый эффект на Марсе сегодня составляет всего около 8°C по сравнению с примерно 33°C на Земле.)
Гамма-спектрометр Mars Odyssey — это измерительный прибор, установленный на космическом корабле Mars Odyssey 2001 года, который вращается вокруг Марса с 2001 года, возвращая данные о геологии верхних 30 см поверхности Марса, такие как расположение воды и определение элементы.
Более ранние исследования показали, что содержание поверхностного железа на территории, отнесенной к нойевой эпохе, было относительно низким по сравнению с территориями гесперианской эры (3,7–3,0 миллиарда лет назад) и амазонской эры (3,0 миллиарда лет до наших дней), а также глобальное среднее содержание железа на поверхности.
Почему содержание железа на раннем Марсе было низким по сравнению с прошлыми 3 миллиардами лет? Эволюция коры планеты этого не объясняет. Это могло быть вызвано жидкой водой на раннем Марсе, которая могла содержать некоторое количество железа ниже глубины диапазона спектрометра 30 см, поскольку на подвижность железа влияют температура, кислотность, химический состав воды и окислительно-восстановительное состояние, которое является степенью окисления. элемента, определяющего его химическое поведение. Это могло бы определить распределение содержания железа на поверхности Марса, особенно если бы роль сыграла атмосфера.
Вместе с коллегами Цзячэн Лю из Университета Гонконга исследовал распределение железа на поверхности древнего Марса как в пространстве, так и во времени, используя результаты спектрометра Mars Odyssey. Они обнаружили, что содержание железа уменьшалось с высотой на раннем Марсе, в старую нойскую эпоху, но уменьшалось с увеличением широты на более поздних нойских территориях.
Почему эта разница?
Группа использовала глобальный геологический разрыв Марса, чтобы определить относительный возраст поверхности в сетках, расположенных на поверхности, и относительное содержание железа. Эти данные позволили лучше понять взаимосвязь между окислительно-восстановительными переходами и переходами климатических режимов.
«Наши результаты показывают, что температура поверхности Марса постепенно изменилась от режима, в котором преобладали высоты, к режиму, в котором преобладали широты, в сочетании с атмосферным окислением в течение нойского периода», — написали они.
Одно из предположений группы состоит в том, что ледяное выветривание и «низкие температурные условия способствовали истощению поверхностного железа, чему, вероятно, способствовало бескислородное выщелачивание в ходе циклов замораживания-оттаивания в восстановительной атмосфере».
Выщелачивание — это процесс, широко используемый в добывающей металлургии, при котором чистые металлы перерабатываются из природных минеральных месторождений (руд). (Примером является плавка в доменной печи для производства чугуна, который используется для производства стали.)
Дальнейший анализ привел их к выводу, что, хотя низкие уровни pH (ниже 3) воды могут мобилизовать железо, кислотное выщелачивание не может полностью объяснить истощение запасов железа на обширной области поверхности Марса. Снижение интенсивности выщелачивания железа от раннего к позднему Ноху свидетельствует о постепенном атмосферном окислении; по мере окисления атмосферы Марса ее парниковый эффект уменьшился, что в конечном итоге привело к появлению холодной и сухой планеты, наблюдаемой сегодня, со льдом на обоих полюсах.
«Окисление поверхности и атмосферы Марса привело к тому, что Марс стал холодным из-за миграции льда с высокогорья в полярные регионы», — сказал Лю. Он отмечает, что некоторые ученые считают, что перигляциальная среда — недра Марса под толстой криосферой, которая сочетает в себе стабильную, долговременную жидкую воду и тепло — может быть пригодна для жизни.
