ExoMars finder nye gassignaturer i Mars-atmosfæren

Denne graf viser et eksempel på målingerne foretaget af Atmospheric Chemistry Suite (ACS) MIR-instrumentet på ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), med de spektrale signaturer af kuldioxid (CO2) og ozon (O3). Det nederste panel viser dataene (blå) og en model, der passer bedst (orange). Det øverste panel viser de modellerede bidrag fra en række forskellige gasser for dette spektralområde. De dybeste linjer kommer fra vanddamp (lyseblå). Den stærkeste O3-funktion (grøn) er til højre, og tydelige CO2-linjer (grå) vises til venstre. Placeringen af stærke metantræk (orange) er også vist i de modellerede bidrag, selvom metan ikke er observeret i TGO-dataene. Kredit:K. Olsen et al. (2020)

ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter har set nye gassignaturer på Mars. Disse låser op for nye hemmeligheder om Mars-atmosfæren, og vil muliggøre en mere nøjagtig bestemmelse af, om der er metan, en gas forbundet med biologisk eller geologisk aktivitet, på planeten.

Trace Gas Orbiter (TGO) har studeret den røde planet fra kredsløb i over to år. Missionen har til formål at forstå blandingen af gasser, der udgør Mars-atmosfæren, med et særligt fokus på mysteriet omkring tilstedeværelsen af metan der.

I mellemtiden rumfartøjet har nu set aldrig før sete signaturer af ozon (O3) og kuldioxid (CO) ₂ ), baseret på et helt år med observationer fra dens følsomme Atmospheric Chemistry Suite (ACS). Resultaterne er rapporteret i to nye artikler offentliggjort i Astronomi og astrofysik , en ledet af Kevin Olsen fra University of Oxford, Storbritannien og en anden ledet af Alexander Trokhimovskiy fra Rumforskningsinstituttet ved Det Russiske Videnskabsakademi i Moskva, Rusland.

"Disse funktioner er både forvirrende og overraskende, " siger Kevin.

"De ligger over det nøjagtige bølgelængdeområde, hvor vi forventede at se de stærkeste tegn på metan. Før denne opdagelse, CO ₂ funktion var fuldstændig ukendt, og det er første gang, at ozon på Mars er blevet identificeret i denne del af det infrarøde bølgelængdeområde."

Mars atmosfære er domineret af CO ₂ , som forskere observerer for at måle temperaturer, spor sæsoner, udforske luftcirkulationen, og mere. Ozon - som danner et lag i den øvre atmosfære på både Mars og Jorden - hjælper med at holde atmosfærisk kemi stabil. Både CO ₂ og ozon er blevet set på Mars af rumfartøjer som ESA's Mars Express, men den udsøgte følsomhed af ACS-instrumentet på TGO var i stand til at afsløre nye detaljer om, hvordan disse gasser interagerer med lys.

At observere ozon i det område, hvor TGO jager efter metan, er et helt uventet resultat.

Hvordan metan skabes og ødelægges på Mars er et vigtigt spørgsmål for at forstå de forskellige påvisninger og ikke-detekteringer af metan på Mars, med forskelle i både tid og sted. Selvom det udgør en meget lille del af den samlede atmosfæriske beholdning, Især metan rummer nøglespor til planetens nuværende aktivitetstilstand. Denne grafik viser nogle af de mulige måder, hvorpå metan kan tilføjes eller fjernes fra atmosfæren. En spændende mulighed er, at metan genereres af mikrober. Hvis begravet under jorden, denne gas kan opbevares i gitterstrukturerede isformationer kendt som clathrates, og frigivet til atmosfæren på et meget senere tidspunkt. Metan kan også dannes ved reaktioner mellem kuldioxid og brint (som, på tur, kan produceres ved reaktion af vand og olivinrige sten), ved dyb magmatisk afgasning eller ved termisk nedbrydning af gammelt organisk stof. Igen, dette kan opbevares under jorden og afgasses gennem revner i overfladen. Metan kan også blive fanget i lommer med lav is, såsom sæsonbestemt permafrost. Ultraviolet stråling kan både generere metan – gennem reaktioner med andre molekyler eller organisk materiale allerede på overfladen, såsom kometstøv, der falder ned på Mars - og nedbryder det. Ultraviolette reaktioner i den øvre atmosfære (over 60 km) og oxidationsreaktioner i den nedre atmosfære (under 60 km) virker til at omdanne metan til kuldioxid, brint og vanddamp, og fører til en levetid for molekylet på omkring 300 år. Metan kan også hurtigt fordeles rundt på planeten ved atmosfærisk cirkulation, fortynde dets signal og gøre det udfordrende at identificere individuelle kilder. På grund af molekylets levetid, når man overvejer atmosfæriske processer, enhver påvisning i dag antyder, at den er blevet frigivet relativt for nylig. Men andre generering og destruktionsmetoder er blevet foreslået, som forklarer mere lokaliserede detektioner og også tillader en hurtigere fjernelse af metan fra atmosfæren, tættere på planetens overflade. Støv er rigeligt i den nedre atmosfære under 10 km og kan spille en rolle, sammen med interaktioner direkte med overfladen. For eksempel, en idé er, at metan diffunderer eller 'sives' gennem overfladen i lokaliserede områder, og adsorberes tilbage i overfladeregolitten. En anden idé er, at stærke vinde, der eroderer planetens overflade, gør det muligt for metan at reagere hurtigt med støvkorn, fjerne signaturen af metan. Sæsonbestemte støvstorme og støvdjævle kunne også fremskynde denne proces. Fortsat udforskning på Mars – både fra kredsløb og overfladen – sammen med laboratorieforsøg og simuleringer, vil hjælpe videnskabsmænd til bedre at forstå de forskellige processer, der er involveret i at generere og ødelægge metan. Kredit:European Space Agency

Forskere har tidligere kortlagt, hvordan martian ozon varierer med højden. Indtil nu, imidlertid, dette er stort set sket via metoder, der er afhængige af gassens signaturer i det ultraviolette, en teknik som kun tillader måling i store højder (over 20 km over overfladen).

De nye ACS-resultater viser, at det er muligt at kortlægge martiansk ozon også i det infrarøde, så dets adfærd kan undersøges i lavere højder for at skabe et mere detaljeret billede af ozons rolle i planetens klima.

Optrævler metan-mysteriet

Et af hovedmålene med TGO er at udforske metan. Til dato, tegn på martian metan - foreløbigt spioneret af missioner, herunder ESA's Mars Express fra orbit og NASA's Curiosity rover på overfladen - er variable og noget gådefulde.

Selvom det også genereres af geologiske processer, det meste af metanen på Jorden produceres af liv, fra bakterier til husdyr og menneskelig aktivitet. At opdage metan på andre planeter er derfor enormt spændende. Dette gælder især i betragtning af, at gassen er kendt for at nedbrydes på omkring 400 år, hvilket betyder, at enhver tilstedeværende metan skal være blevet produceret eller frigivet i en relativt nylig fortid.

"Opdagelse af en uforudset CO ₂ signatur, hvor vi jager efter metan, er vigtig, " siger Alexander Trokhimovskiy. "Denne signatur kunne ikke forklares før, og kan derfor have spillet en rolle i påvisning af små mængder metan på Mars."

Observationerne analyseret af Alexander, Kevin og kolleger blev for det meste udført på forskellige tidspunkter end dem, der understøttede påvisning af martian metan. Udover, TGO-dataene kan ikke tage højde for store vaner af metan, kun mindre mængder – og så, i øjeblikket, der er ingen direkte uenighed mellem missionerne.

"Faktisk, vi arbejder aktivt på at koordinere målinger med andre missioner, " præciserer Kevin. "I stedet for at bestride tidligere påstande, denne opdagelse er en motivator for alle hold til at se nærmere – jo mere vi ved, jo dybere og mere præcist kan vi udforske Mars atmosfære."

Denne graf viser en ny CO ₂ spektral træk, aldrig før observeret i laboratoriet, opdaget i Mars atmosfære af Atmospheric Chemistry Suite (ACS) MIR instrument på ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). Grafen viser det fulde omfang af det magnetiske dipolabsorptionsbånd af ¹⁶ O ¹² C ¹⁶ O-molekyle (en af de forskellige 'isotopologer' af CO ₂ ). Det øverste panel viser ACS MIR-spektrene (vist i sort) sammen med det modellerede bidrag fra CO ₂ og H2O (vist i blåt); modellen er baseret på HITRAN 2016 databasen. Det nederste panel viser forskellen mellem data og model, eller rester, afslører strukturen af absorptionsbåndet i detaljer. De beregnede positioner af spektrallinjer er markeret med pile, i forskellige farver svarende til forskellige 'grene' af absorptionsbåndet (rød står for P-grenen, grøn for Q-grenen og blå for R-grenen). Kredit:A. Trokhimovskiy et al. (2020)

Realisering af potentialet i ExoMars

Metan til side, resultaterne fremhæver, hvor meget vi vil lære om Mars som et resultat af ExoMars-programmet.

"Disse resultater gør det muligt for os at opbygge en større forståelse af vores planetariske nabo, " tilføjer Alexander.

"Ozon og CO ₂ er vigtige i Mars atmosfære. Ved ikke at tage højde for disse gasser korrekt, vi risikerer at fejlkarakterisere de fænomener eller egenskaber, vi ser."

Derudover den overraskende opdagelse af den nye CO ₂ band på Mars, aldrig før observeret i laboratoriet, giver spændende indsigt for dem, der studerer, hvordan molekyler interagerer både med hinanden og med lys - og søger efter de unikke kemiske fingeraftryk af disse interaktioner i rummet.

"Sammen, disse to undersøgelser tager et væsentligt skridt hen imod at afsløre Mars sande karakteristika:mod et nyt niveau af nøjagtighed og forståelse, siger Alexander.

Sammenligning af atmosfæren på Mars og Jorden. Kredit:European Space Agency

Succesfuldt samarbejde i jagten på livet

Som navnet antyder, TGO'en sigter mod at karakterisere eventuelle sporgasser i Mars' atmosfære, der kan opstå fra aktive geologiske eller biologiske processer på planeten, og identificere deres oprindelse.

ExoMars-programmet består af to missioner:TGO, som blev lanceret i 2016 og får følgeskab af Rosalind Franklin-roveren og Kazachok-landingsplatformen, forventes at lette i 2022. Disse vil bringe instrumenter, der supplerer ACS, til Mars-overfladen, undersøger planetens atmosfære fra et andet perspektiv, og deler kerneformålet med ExoMars-programmet:at søge efter tegn på tidligere eller nuværende liv på den røde planet.

"Disse resultater er det direkte resultat af et enormt succesfuldt og løbende samarbejde mellem europæiske og russiske videnskabsmænd som en del af ExoMars, " siger ESA TGO-projektforsker Håkan Svedhem.

"De sætter nye standarder for fremtidige spektrale observationer, og vil hjælpe os med at male et mere komplet billede af Mars' atmosfæriske egenskaber - inklusive hvor og hvornår der kan være metan at finde, hvilket fortsat er et nøglespørgsmål i Mars-udforskningen."

"Desuden disse resultater vil foranledige en grundig analyse af alle de relevante data, vi har indsamlet til dato - og udsigten til ny opdagelse på denne måde er, som altid, meget spændende. Hvert stykke information afsløret af ExoMars Trace Gas Orbiter markerer fremskridt hen imod en mere præcis forståelse af Mars, og bringer os et skridt tættere på at opklare planetens dvælende mysterier."

Sidste artikelNASAs næste Mars-rover er den smarteste og smarteste til dato

Næste artikelMars Perseverance rover går til opsendelse, siger NASA