Hová tűnt a metán a Marsról?

Néhány hónapja kezdte tudományos programját az Európai Űrügynökség (ESA) TGO (Trace Gas Orbiter) nevű keringőegysége. A szonda fő feladata a Mars légkörének tanulmányozása és ezen belül is a légköri metán koncentrációjának megállapítása. A küldetésben részt vevő kutatók múlt szerdán a Nature folyóiratban publikálták előzetes eredményeiket, egyebek mellett arról, hogy eddig a szonda nem mutatott ki metánt a marsi légkörben.

Ez látszólag erőteljesen ellentétben áll a NASA Curiosity marsjárójának felszíni, metán jelenlétét mutató méréseivel, amelyet az ESA másik keringőegysége, a Mars Express nemrég megerősített. A kutatók azonban nem arra gyanakodnak, hogy a korábbi mérések hibásak voltak, hanem hogy a metán a felszín közelében gyorsan lebomlik valamilyen folyamatban. Úgy tűnik tehát, hogy a TGO űrszonda, amelynek célja a közel 15 éve zajló marsi metánvita megoldása lett volna, csak tovább mélyítette azt.

Az ESA Trace Gas Orbiter űrszondájának művészi illusztrációjaForrás: ESA–D. Ducros

Egy második, szintén szerdán a Nature-ben közzétett tanulmányban a tavaly nyári marsi porvihar légköri víztartalomra mért hatását ismertetik a szakemberek. Egy harmadik szakcikk, amelyet az orosz tudományos akadémia folyóiratában publikálnak majd, a marsi felszín felső egy méterének eddigi legrészletesebb  víztartalomtérképével szolgál majd, amely a vízjeget és a hidratált ásványokat tartalmazó kőzeteket is mutatja.

A Trace Gas Orbiter űrszondát 2016 márciusában indította az európai űrhivatal, az ESA a Roszkoszmosz orosz űrügynökséggel együttműködve. Ugyanazon év októberében meg is érkezett a Marshoz, útjára engedve a Sciaparelli kísérleti leszállóegységet, amely sajnos október 19-én landolás közben becsapódott a Mars felszínébe. A TGO 2017 elejétől egy úgynevezett légköri fékezésnek (aerobreaking) nevezett manőversort hajtott végre, így a Mars felső légkörének fékező hatásával módosította távolságát a bolygóhoz képest. Végső, közel kör alakú, 400 kilométer magasságú tudományos pályáját 2018 áprilisában érte el, néhány hónappal a NASA Opportunity marsjárójának elvesztéséhez vezető globális porvihar kialakulása előtt.

A marsi metán története

A Mars vékony légköre 96 százalékban szén-dioxidból áll a NASA Curiosity marsjárójának felszíni mérései szerint. Jelentősebb mennyiségben még 1,9 százalék argon és 1,9 százalék nitrogén van jelen, a maradék közel 0,2 százalékot alkotják az olyan nyomokban jelen lévő gázok, mint az oxigén, a szén-monoxid, a vízpára és – leginkább vitatottan – a metán. 

A TGO űrszonda két fő, a Mars légkörét vizsgáló műszere a NOMAD és az ACS spektrométerrendszerek. A spektrométerek segítségével az űrszonda képes ezeknek a légkörben nyomokban jelen lévő gázoknak a vizsgálatára. Koncentrációját ppbv (parts per billion by volume), vagyis „részecske/milliárd térfogatra mérten” mértékegységgel adják meg a kutatók.

A Földön a légköri metán túlnyomó részének előállításáért  metanogén archeák felelősek, így annak jelenléte potenciálisan – bár hangsúlyozottan nem kizárólag – biológiai aktivitás jele is lehet. Emiatt a metán kimutatása, koncentrációjának és változásának megfigyelése különösen fontos a Mars-kutatás számára. A szakemberek szerint a marsi metán legvalószínűbb forrása olivin ásványokban gazdag kőzetek vízzel történő, alacsony hőmérsékletű, szerpentinizációs reakciója. Ezek a geokémiai reakciók évmilliókkal ezelőtt is végbemehettek a felszín alatt, és a gáz metán-hidrátként sokáig raktározódhatott is.

A Mars légkörében először 2003-ban mutatták ki kutatók földi megfigyelések segítségével metán jelenlétét, majd az ESA Mars Express keringőegysége is érzékelt metánt, először 2004-ben, 10 ppbv-ben állapítva meg a gáz koncentrációját. A NASA Curiosity marsjárójának a Gale-kráterben végzett in situ mérései egyértelműen kimutatták 0,2-0,7 ppbv mennyiségű metán jelenlétét a kráterben, valamint annak évszakos változására utaltak. A Mars Express adatait újraelemző európai kutatók idén áprilisban közöltek a Nature Geoscience-ben egy tanulmányt, amelyben megerősítették a Curiosity metándetekcióját. A szakemberek 15,5 (+- 2,5) ppbv koncentrációjú metánt találtak a Gale-kráter felett 2013 júniusában, egy nappal az után, hogy a Curiosity 5,78 (+-2,27) ppbv-nyit mutatott ki.

Az ábra a Curiosity által mért metán lehetséges keletkezési módjait ismerteti. A metán származhat 1. Marsra hullott egyszerű szerves anyagok lebomlásából, 2. felszín alatti kémiai reakciókból, 3. olivin ásványok és víz szén-dioxid jelenlétében létrejövő reakciójából, valamint 4. potenciálisan biológiai aktivitás melléktermékeként.Illusztráció: NASA/JPL/SAM-GSFC

A metán 250-300 év alatt lebomlik a marsi légkörben a Nap UV-sugárzásának hatására, így ha valóban jelen van, akár csak az alsóbb légrétegekben is, akkor valamilyen folyamatnak újra kell termelnie, vagy felszín alatti metán rezervoárokból kellene fokozatosan szivárognia. 

Hol a metán?

Ahogy a kutatók a Nature-ben közzétett tanulmányukban részletezik, a TGO egyelőre egyáltalán nem detektált metánt a marsi légkörben. A műszerek érzékenysége alapján globálisan 0,05 ppbv-s felső limitben korlátozta a metánkoncentráció mértékét, amely a korábbi mérések legfeljebb tizede vagy százada. 

Három kilométeres magasságban ennél is precízebb méréseket tudott végezni, 0,012 ppbv-ben maximalizálva az esetleges metán mennyiségét. Az eddigi méréseiket az ACS és NOMAD spektrométerek főleg a Mars sarki régiói felett végezték el, néhány egyenlítői körülivel egyetemben, de ennek nem kellene befolyásolnia az eredményeket. A Mars légköréről rendelkezésre álló információk és modellek arra utalnak, hogy a metánnak néhány hónap alatt teljesen el kellene keverednie, így a szakemberek nem várhatnak lényeges területi különbségeket. A tanulmány szerzői szerint az sem reális, hogy még ha csak a Curiosity leszállóhelyén, a Gale-kráterben szivárogna a talajból metán a Marson, az ne keveredne el a környező légtömegekkel, láthatóvá válva a TGO szenzorai számára.

A TGO űrszonda nem talált metánt a Marsi légkörben. A jobb oldali térkép a műszerek keringési pályáról történő mérési pontjait ábrázolja, a bal oldali ábrán pedig a kapott adatoknak a Curiosity marsjáró méréseivel való összehasonlítása látható.Illusztráció: ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: O. Korablev et al (2019)

"A TGO nagy felbontású mérései látszólag ellentmondásban állnak a korábbi megfigyelésekkel. Ahhoz, hogy ezeket az adatokat össze tudjuk egyeztetni, és a gyors változásokat meg tudjuk magyarázni a korábban megfigyelt metánfelhőkhöz képest, találnunk kell egy mechanizmust, amely a felszín közelében hatékonyan lebontja a metánt"

 – mondta a TGO űrszonda vezető kutatója, Håkan Svedhem. Hozzátette, „ugyanannyira érdekes kérdés, hogy a metán hova tűnik el, és milyen gyorsan tud eltűnni, mint az, hogy milyen forrásból származhat".

A kutatók feltételezése szerint tehát valószínűleg nem arról lehet szó, hogy a korábbi mérések hibásak voltak (bár van, aki így vélekedik), hanem hogy a metán csak ideiglenesen, bizonyos régiókban van jelen, és egy eddig ismeretlen mechanizmusnak köszönhetően gyorsan lebomlik.

Egy porviharban rejlő lehetőségek

A TGO a NASA marsi flottájához hasonlóan kihasználta a 2018. nyári globális porvihar nyújtotta megfigyelési lehetőségeket. A két, széles hullámhossztartományban működő NOMAD és ACS spektrométer rendszere segítségével vizsgálta a vízpára és por függőleges eloszlását a légkörben, a felszíntől nagyjából 80 kilométeres magasságig.

A vízpára és a por függőleges eloszlása, valamint koncentrációjuk időbeli változása a marsi légkörben a TGO űrszonda mérései alapján.Illusztráció: ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: A-C Vandaele et al (2019)

A vízpára eloszlásának vizsgálata során mind a H2O-, mind pedig a félnehéz víz, azaz HDO-molekulák (az egyik hidrogén atomot egy deutérium atom helyettesíti) koncentrációját meghatározták. Ez információval szolgált arról is, mennyi hidrogén- és deutériummolekula kerül a Marsról a világűrbe a napszél hatására. A HDO-molekulák vizsgálata azért különösen fontos, mert így meghatározható a deutérium-hidrogén arány a marsi atmoszférában, amely a marsi víztartalék változásait segíthet leírni. A NASA MAVEN-űrszondája végzett korábban hasonló vizsgálatokat.

„Az északi szélességeken (a porviharnak köszönhetően) olyan jelenségeket láttunk, mint a 25-40 kilométeres magasságban lévő porfelhők, amelyek nem voltak ott korábban. A déli féltekén pedig egyre magasabbra törő porrétegeket figyeltünk meg. A légköri vízpáratartalom növekedése elképesztően gyorsan történt, a porvihar kezdetétől számítva néhány nap alatt, mutatva, hogy a légkör gyorsan reagált annak kialakulására.”

- mondta Ann Carine Vandaele, a NOMAD műszercsomagért felelős tudományos vezető.

A porvihar közben a levegőbe került por elnyelte a nap sugarait, felmelegítve a légkört, lehetővé téve, hogy a vízpára magasabb tartományokba kerüljön. A nagyobb hőmérséklet-különbség a pólusok és az egyenlítői régiók közt megnövelte a légköri körforgás intenzitását, a magasabb hőmérséklet következtében pedig kevesebb vízjégfelhő formálódott, amelyek alacsonyabb magasságokon fognák meg a vízpárát.

Bár a Mars légköri folyamatait leíró globális körforgási modellek ezt előrejelezték, ez volt az első alkalom, hogy kutatók mindezt meg is tudták figyelni.

Az eddigi legjobb térkép a felszín alatti víztartalomról

A TGO, amellett hogy precíz műszereivel vizsgálja a Mars légkörét, és felvételeket készít a felszínről, közvetlenül a felszín alá is betekintést enged a kutatóknak. Az orosz építésű FREND neutrondetektor a hidrogén eloszlását térképezi fel a marsi talaj legfelső 1 méteres rétegében, ezzel feltárva abban a vízjég, a kötött formában megjelenő vízmolekulák, vagy víz jelenlétében keletkezett ásványok előfordulását.

A globális térkép elkészítése két évet fog összesen igénybe venni, de az első hónapok adatai már felülmúlják a NASA Mars Odyssey űrszondája által végzett korábbi mérések felbontását.

A vízjég és a hidratált ásványok közvetlen felszín alatti eloszlása a TGO mérései alapján.Illusztráció: ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: I. Mitrofanov et al (2018)

A sarki régiók vízjégben gazdag permafroszt területeinek kimutatása mellett a műszer képes „szárazabb” és „vizesebb” területeket megkülönböztetni egy-egy régión belül, megmutatva, hol találhatók vízben gazdag kőzetek például az egyenlítő közelében.

A felszín alatti vízjég és vízben gazdag ásványok teljes feltérképezése segíthet megválaszolni, hogy mennyi víz maradt az egykor feltételezhetően folyókkal, tavakkal és egy északi óceánnal borított bolygón. A vízben gazdag kőzetek megtalálása és helyi felhasználása (ISRU, In Situ Resource Utilization) pedig az első emberes küldetések, hosszabb távon pedig a Mars-kolonializáció szempontjából lehet különösen fontos.

A címlapképen az ESA Trace Gas Orbiter űrszondájának művészi illusztrációja látható. Forrás: ESA–D. Ducros.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: