Elektricitet i Mars støvstorme hjælper med at danne perklorater

Strømmen i støvstorme fra Mars hjælper med at danne de enorme mængder perklorat, der findes i planetens jord, ifølge ny forskning fra Washington University i St. Louis.

Det er ikke lyn, men en anden form for elektrostatisk udladning, der pakker nøglen i den planet-dækkende fordeling af det reaktive kemikalie, sagde Alian Wang, forskningsprofessor ved Institut for Jord- og Planetvidenskab i Kunst og Videnskab.

"Vi fandt en ny mekanisme, der kan stimuleres af en type atmosfærisk begivenhed, der er unik for Mars, og som forekommer ofte, varer meget længe og dækker store områder af planeten – dvs. støvstorme og støvdjævle, " sagde Wang. "Det forklarer det unikke, høj koncentration af et vigtigt kemikalie i Mars jord, og det er meget vigtigt i søgen efter liv på Mars."

Det nye arbejde er et eksperimentelt studie, der simulerer marsforhold i et laboratoriekammer på Jorden.

Overraskende mængde af et reaktivt kemikalie

Da NASAs Phoenix Mars Lander ankom til planeten på jagt efter miljøer, der egner sig til mikrobielt liv, forskere var overraskede over at finde høje koncentrationer af perchlorater i jorden - fra 0,5 til 1,0 procent.

En populær misforståelse på det tidspunkt fik nogle mennesker til at tro, at perklorater ville dræbe alle mikrober fra Mars. I virkeligheden, nogle mikrober er i stand til at bruge perchlorater som energikilde, selvom perchlorater er giftige for mennesker.

Perklorationen - lavet af et chloratom og fire oxygenatomer - er stabil, men klorat, et beslægtet kemikalie med kun tre oxygenatomer, er et stærkt oxidationsmiddel som demonstreret af Kaushik Mitra, en kandidatstuderende fra Washington University i jord- og planetvidenskab.

Wangs nye forskning viser, at chlorat er det første og vigtigste produkt i vejen for faseovergange fra chlorid til perchlorat under multifase redox plasmakemi - den nye mekanisme, der først blev beskrevet 15. oktober i tidsskriftet Earth and Planetary Science Letters .

En energikilde i stormen

På jorden, naturligt forekommende perklorater dannes ved fotokemiske reaktioner drevet af sollys. De er sjældne, men de eksisterer:Perklorater, der stammer fra denne måde, er blevet fundet i jorden i hypertørre områder på Jorden, såsom Atacama-ørkenen i Chile, Antarktis tørre dale eller Qaidam-bassinet på Tibet-plateauet, for eksempel. Men Mars har omkring 10 millioner gange flere perchlorater i sin jord, end man ville forudsige gennem denne type fotokemi alene.

Modelbyggere foreslog, at lyn kunne give energien til disse kemiske reaktioner på Mars. Men Wang og hendes Washington University-team – som inkluderer Kun Wang (ingen relation), adjunkt i jord- og planetvidenskab; Jennifer Houghton, forsker; og Chuck Yan, ingeniørtekniker - var de første til at lave en egentlig eksperimentel simulering, der viste et udbytte af chlorat/perklorat på 1, 000 gange det udbytte, der genereres af fotokemi i laboratoriet.

Dette arbejde blev afsluttet i samarbejde med Z. C. Wu ved Institute of Space Science, Shandong Universitet i Kina; William Farrell ved NASA Goddard Space Flight Center; og Andrew Jackson ved Texas Tech University.

Forskerne designede to sæt eksperimenter ved hjælp af en simulator kaldet Planetary Environment and Analysis Chamber (PEACh), skabe en Mars-lignende atmosfære med lignende tryk- og temperaturforhold.

I den Mars-lignende atmosfære med lav tæthed, som har mindre end én procent af jordens atmosfæriske tryk, ladede partikler er mindre tilbøjelige til at akkumulere på afstand for at danne den dramatiske spidsbue af lyn. I stedet, vindbegivenheder med sand og støv er mere tilbøjelige til at udvikle elektriske felter nær overfladen, der resulterer i enten Townsend Dark Discharge, en effekt, der ikke er synlig, eller normal glødeflåd – som vises, lige som det lyder, som et svagt skær.

"Hvis et billede blev taget om aftenen uden sollys, den normale glødeflod skal ses i form af et svagt lys og kan vare længere end lynnedslag, " sagde Alian Wang. "Faktisk, Jeg har foreslået en atmosfærisk videnskabsmand, der arbejder på Curiosity-roveren, at de skulle designe en aftenfotosekvens for at fange støvdjævle!"

I Mars-kammeret i laboratoriet, forskerholdet observerede den øjeblikkelige dannelse af frie radikaler - molekyler med meget reaktive uparrede elektroner - i normal glødeudladning, påvist ved in situ plasmaemissionsspektroskopi. De målte også overgangen af ​​chlorid til chlorat, og derefter at perklore gennem interaktion med de frie radikaler, ved hjælp af laser Raman spektroskopi.

Maskering af livstegn

Gennemsnitlig, globale støvstorme på Mars forekommer en gang hvert andet Mars-år, mens regionale og lokale støvstorme opstår hvert år.

Wang og hendes team er overbeviste om, at deres resultater kan skaleres op til generelle Mars-forhold og kan hjælpe forskere med at forstå de store koncentrationer af disse kemikalier i Mars jord.

Hvad mere er, Wang foreslår, chlorater, der produceres i store mængder under støvhændelser, kan fungere som skyllemidler, reagerer med andre overfladekemikalier på en sådan måde, at de "rydder op" i biosignaturerne af aktive mikrober - maskerer eller sletter beviserne for liv på Mars.

"Denne undersøgelse åbner en dør. Den demonstrerer den stærke oxidationskraft af elektroner i elektrostatisk udladningsproces genereret af støvhændelser, " sagde hun. "Det tyder på, at elektrostatisk udladning i marsstøvhændelser kan påvirke mange andre redoxprocesser i Mars atmosfære og Mars overflade og undergrund, såsom jern- og svovlsystemer også."