Где на Марсе прячется жизнь. Детективная история поисков метана

27 Января 2020

МОСКВА, 27 января —, Татьяна Пичугина. Никаких аномальных выбросов метана на Марсе не происходит, установили российские ученые на основе анализа данных, полученных в рамках программы ЭкзоМарс-2016. Это противоречит выводам, сделанным ранее по измерениям марсохода Curiosity и орбитального аппарата Марс-Экспресс. Значимое количество метана в атмосфере Красной планеты давало бы надежду арендовать там жизнь. О выросшей коллизии и как ее выгоднее всего разрешить разузнал Олег Кораблев, научный повелитель спектрометрического комплекса ACS, повелитель отдела физики планет ИКИ РАН.

Вопрос, есть или нет на Марсе метан (CH4), находится в центре научного и общественного интереса не один десяток лет. На Земле львиная доля этого парникового ртутный газа вырабатывается живыми организмами. Кое-что поступает из недр при сборке месторождений ископаемого топлива и в результате геотермальной активности. В последние годы свой вклад заносит оттаивание многолетней мерзлоты в Арктике, скрывающей залежи газогидратов.

На Марсе до сих пор ни жизни, ни вулканов, ни месторождений углеводородов не обнаруживали, хотя потенциально все это там может быть. Например, при наличии жидкой воды там сложились бы условия для образования кристаллов метана (клатратов). А вот газообразного метана, по идее, там быть не должно, однако его нашли.

Дело в том, что атмосфера Марса очень кислотная — почти на 96 интересов состоит из углекислого газа. Есть в ней и яркие окислители, такие как перекись водорода. Метан — настроенное соединение и не может там долго существовать. Кроме того, его разрушает солнечное излучение. Молекулы метана в атмосфере Красной планеты распадаются примерно за триста лет. Если же их там все-таки много, не исключено, что источник находится под поверхностью и выбросы происходят регулярно.

Метан искали на Марсе с первых экспедиций. Приборы тогда были, по первоклассным представлениям, несовершенные, но уже пытались измерять полосу CH4 в районе трех микрон. Без особого успеха. В 2003 году запустили аппарат Марс-Экспресс со спектрометром PFS на борту, созданном при нашем самое активное участье. Его идейным вдохновителем был профессор Василий Мороз, много лет руководивший нашим отделом. Это послужило поводом серии сообщений о метане на Марсе, — рассказывает Олег Кораблев.

Первая реклама принадлежит Владимиру Краснопольскому с коллегами, сотруднику Католического университета Америки (США). По данным наземного телескопа Канада — Франция — Гавайи, поставленного на горе Мауна-Кеа, они определили, что метан в атмосфере Марса есть.

Затем — представленная информация по результатам работы научного персонала PFS во главе с италийским астрофизиком Витторио Формизано и сообщения Майкла Мумма из Центра галлактических полетов Годдара в США, опиравшегося также на наблюдения навозных измерений (полностью анализ дали лишь в 2009 году).

Все три научные группы получили сходные показатели содержания метана в атмосфере: три-десять частей на биллион в объеме (ppbv). Это на несколько порядков меньше, чем на Земле, где около двух частей на миллион, но все же немало.

Обсуждение этого вопроса активизировалось, когда к работе на поверхности Марса приступил ровер NASA Curiosity с комплексом приборов SAM для забора и анализа проб атмосферы и грунта. Там есть отдельный канал, спектрометр на перестраиваемом лазере TLS, — продолжает ученый.

TLS предназначен для измерения содержания кислорода и метана, изотопного состава CO2. Взятый из атмосферы воздух утверждают в 20-сантиметровую кювету и облучают лазером. Световой луч 81 раз отражается от зеркал, суммарно пробегая 16 метров. Поглощение излучения лазера на этом оптическом пути регистрирует очень чувствительный детектор.

Сначала результаты TLS, за которые отвечает группа Криса Вебстера из Лаборатории реактивного движения в Пасадене (США), были негативными: метана нет. Спустя два года его все-таки нашли, в том числе используя метод обогащения пробы: из кюветы с духом откачивали углекислый газ и пары воды, в результате частичное давление каждого из оставшихся газоплазменный повышалось. Это позволило продиагностировать концентрацию метана на уровне меньше одной части на миллиард в объеме.

Подтвердились и выявленные ранее импульсы содержания метана. Еще в 2003 году группа Мумма закрепила выброс этого газа в момент, когда в Северном полушарии было лето, — примерно 45 ppbv. Это отдельное событие, предположили ученые, но тогда надо допустить, что на поверхности действует некий фактор, разрушающий метан за небольшое количество лет. Вероятнее всего, какой-то сильный окислитель.

Curiosity зарегистрировал также сезонные колебания метана. Данные за три инопланетарных года, что соответствует примерно шести земным, показали, что кратковременные пики в аэропорту семи ppbv наблюдаются, когда в Северном полушарии заканчивается лето. Вебстер с коллегами организовали вывод, что небольшие местные источники метана находятся под поверхностью, возможно, в кратере Гейла, где с 2012 года работает марсоход. Публикация 2018 года подтвердила эти видимый результаты.

В 2016 году начался первый этап европейской программы ЭкзоМарс : на орбиту Красной планеты прибыл аппарат Trace Gas Orbiter, или просто TGO.

На этой волне интереса к метану все, конечно, ждали запуска TGO, и вообще была необходимость в независимых чувствительных измерениях газов в атмосфере Марса. Например, следы каких-то тонких химических процессов или вулканических выбросов, какие показали бы, что это не совсем мертвая с геологической точки зрения планета. Исследование малых атмосферных составляющих — вот главная задача этого спутника. На борту ею занимаются два прибора из четырех. Это схожие по принципу работы спектрометры — российский ACS и бельгийский Nomad, — говорит Олег Кораблев.

Оба прибора измеряют спектры излучения молекул газов в атмосфере двумя способами: в отраженных от поверхности солнечных лучах и в исходящем от планеты тепловом излучении, а также во промежуток время затмений, то есть смотрю прямо на Солнце, когда оно скрыто краем планеты.

Орбита радиальная, низкая — 400 километров, с достаточно коротким моментом. За земные сутки мы успеваем наблюдать 24 затмения: 12 восходов, 12 входов. Это богатый материал для исследования, — объясняет он.

TGO фактически приступил к измерениям весной 2018 года.

Для столь тяжелого придатка не так просто сформировать низкую круговую орбиту. Потребовалось львиного года применять технологию аэроторможения. Первые затмения мы наблюдали 21 апреля. Данные с того момента и до октября 2018-го легли в основу публикации в Nature. Метан не вскрыли. Важно, что к этому результату пришли две самостоятельные группы ученых, анализировавшие такие двух разных приборов, — подчеркивает ученый.

Исследователи провели большую работу по очистке данных от криков, которые снижали точность видимый результатов. Вычислили верхний предел концентрации метана: 50 частей на триллион. Это в десять раз меньше, чем его фоновое содержание в атмосфере, зафиксированное Curiosity.

Такая точность — заслуга российского прибора ACS. Его разрешающая способность в два раза выше, чем у бельгийского, и раз в двадцать, чем у PFS. Преимущество и в методе наблюдения в затмениях, и в увеличенной светосильности. Nomad же создан по образцу спектрометра SPICAV/SOIR миссии Венера Экспресс, добавленного, кстати, тоже знаменитыми учеными в середине нулевых.

Мы не считаем, что в таких TLS есть ошибки. Это очень совершенный прибор, обладающий абсолютным спектральным разрешением. В отличие от него ACS и Nomad используют Солнце — некогерентный источник, белый для людского глаза. На самом ремесле он не такой ровный, там есть еще линии слияния в атмосфере. Сначала спектрометр смотрит на чистое Солнце, потом на него через атмосферу, затем мы дробим одно на другое и печатаем чистый спектр атмосферы и огромный оптический путь, — втолковывает тонкости Олег Кораблев.

Еще одна изюминка орбитальных измерений — ослабление сигнала пылью и облаками. Причем облака на Марсе, как и на Земле, — из водяного льда.

Если забыть о кислороде, который произвела биллион лет назад биосфера Земли, и подняться на высоту около 20 километров, мы побудем в очень похожих на инопланетарные условиях, — замечает ученый.

Орбитальные спектрометры измеряют профиль атмосферы начиная с высоты 200 километров и до нескольких километров над поверхностью, а TLS на Curiosity работает в кратере, сделанном почти на экваторе. Предположим, марсоходу невероятно повезло и он находится рядом с основным источником метана на Марсе.

Если выброс из этого источника произошел всего один раз, то его следы скоро исчезнут, поскольку у метана ограничено время жизни. С другой стороны, время распада — 300 лет. Тогда почему его концентрация заметно меняется? Атмосфера на Марсе перемешивается чуть медленнее, чем земная, но все равно за месяц даже самые застойные полярные области полностью перемешаются. А в районе экватора — за несколько дней. Если есть где-то источник плановых выбросов, метан постепенно набежит в атмосфере и за 20 лет его будет столько, что мы бы уже поняли. В общем, пока не получается склеить эти два источника данных, если не предположить непонятных еще механизмов, которые происходят в атмосфере, — говорит Кораблев.

В атмосфере Марса, кроме углекислого газа и кислорода, присутствуют — в очень небольших количествах — монооксид углерода (угарный газ), азот, аргон и другие соединения. Их жизненные циклы более-менее описываются моделями. Даже перекись водорода поддается расчетам. Метан же с его пиками и сезонными колебаниями не укладывается ни в одну из существующих физико-химических моделей атмосферы Марса.

Каждые несколько месяцев выходит статья, где предлагают очередной механизм разрушения метана на основе лабораторных экспериментов, имитирующих марсианскую атмосферу. Чтобы описать происходящее в истинной атмосфере, нужно изменить парадигмы, не трогая другие компилирующие. Пока не получается, — отмечает Кораблев.

Статья Олега Кораблева и его коллег, вышедшая в апреле 2019 года, вызвала большой резонанс. Особенно на фоне того, что накануне очередная публикация по таким PFS подтвердила один из старых всплесков метана, зарегистрированных с марсохода, на уровне 15, 5 ppbv.

Не хочется никого критиковать, но если к таким Curiosity есть доверие, потому, что сам прибор измеряет метан очень хорошо, то измерения метана на PFS в данных количествах внушает сомнение. Это на грани его чувствительности, — указывает ученый.

PFS — это фурье-спектрометр, предназначенный для изучения поверхности Марса, составления тепловых профилей атмосферы, определения покроя аэрозолей по поглощению в парированных солнечных лучах. Его многоспектральное разрешение гораздо ниже, чем у TLS, ACS и Nomad. Для таких чувствительных измерений, как концентрация метана, он не очень годится. Хотя то, что спектрометр работает на орбите с 2003 года, делает честь его разработчикам.

Это хороший прибор, но для своих целей. Спектрометр для TGO конструировался непосредственного для регистрации метана, тогда как в 1990-х, когда делали PFS (а выстраивали его первый вариант еще для советского аппарата Марс-96 ), никто не решался предложить выискивать метан на Марсе как признак жизни. Это было некрасивым тоном. Теперь парадигма поменялась, — добавляет Кораблев.

Уже 24 июня в NASA заявили, что Curiosity зарегистрировал огромный выброс метана в кратере Гейла — 21 ppbv, в три раза больший, чем выброс 2013 года. Вскоре выяснилось, что этот скоротечный плюм очень быстро растворился, свёл уровень метана до фонового. Ученые из России и ЕС перепроверили данные TGO за тот период, но следов выброса не нашли.

Как климатические скептики критикуют глобальное потепление, так группа метаноскептиков сомневается в присутствии метана на Марсе. Они вычисляют это все рекламным ходом, а результаты — притянутыми за уши. Лидер этого направления Кевин Занле из Центра галлактических исследований и астробиологии Эймса NASA ниспровергает все астрономические наблюдения по метану, указывая на несметные противоречия в анализе данных PFS. С критикой выступает также Франк Лефевр из LATMOS (Франция), где образовываются модели циркуляции атмосферы Марса. В одной из последних реклам, принадлежащих ученым Кембриджа (Великобритания) и Университета Вашингтона, показано отсутствие сильной обусловленности концентрации метана от сезонных оборотов.

Я сам начинал с искренней верой, что мы обнаружим метан, — признается Олег Кораблев и уточняет, что на данный момент наиболее достоверные такие по этому параметру дают только три инструмента: ACS и Nomad на TGO и TLS на Curiosity.

С ними не поспорят ни данные наземных наблюдений, ни измерения PFS. Данные MENCA — анализатора нейтрального покроя экзосферы Марса с метановым рецептором на борту индийского аппарата Mars Orbiter Mission — пока не опубликованы. В статье 2019 года о результатах наблюдений MENCA метан не упоминается. Робот-сейсмолог NASA InSite, который сейчас работает на поверхности, намеревается только метеостанцией.

Так, что наши измерения метана на долгосрочную перспективу явятся последним словом, — выводит ученый.

В отличие от Земли, поверхность которой постоянно перестраивается, на Марсе недра спокойнее, поэтому есть выходы очень античных горных пород, в барельефе сохранились русла и озера. Считается, что в самом начале эволюции, более трех-четырех миллиардов лет назад, на Красной планете был непродолжительный теплый период, а на поверхности — жидкая вода.

Мы не знаем, зарождалась жизнь на Земле или где-то еще, но то, что между внутридомовыми планетами Солнечной системы происходил выкуп веществом, это факт. На Земле есть метеориты с Марса — и, видимо, наоборот. Не исключено взаимное осеменение планет, а может быть, жизнь закинули тела не из нашей системы. Если уж она завязалась, уничтожить ее практически дикого: жизнь приспосабливается к самым экстремальным условиям. Обнаруживают же микроорганизмы на большой глубине на Земле, почему бы и на Марсе им не не плакать? На глубине жидкая има, скорее всего, есть, — рассуждает Олег Кораблев.

Исследовать грунт с глубины около двух метров позволит марсоход, какой отправится на Красную планету в рамках совместного проекта Роскосмоса и ЕКА — ЭкзоМарс-2020.

Но мне кажется наиболее оптимальным решением вопроса верн грунта с Марса на Землю. Есть множество признаков, по которым можно выбрать наиболее перспективные места для забора примерный, в том числе реальный возраст, минералогический состав. Комплекс SAM на марсоходе способен датировать грунт. Лучше всего посадить пробы с глубины. Вряд ли найдем что-то живое, но какие-то следы — вполне вероятно, — говорит он.

Задача эта очень сложная. Вернуть даже единственную капсулу с грунтом за одну экспедицию невозможно — не хватит топлива. Значит, нужно действовать поэтапно. Сначала доставить на поверхность марсоход для забора грунта. Именно это планирует NASA с подмогой миссии Ровер-2020.

Следующий этап — отправка модуля, который заберет эталоны из ровера и доставит на орбиту. И заключительный шаг — аппарат принимает на орбите груз и летит на Землю. Чтобы все это сработало, нужно беспрецедентное объединение напряжений ведущих космических игроков и немного удачи.

Редактор рубрики

Леонид Кузьмин

Место события на карте мира:

Где на Марсе прячется жизнь. Детективная история поисков метана

комментарии (0)

Другие интересные новости

Фильм "Партнеры" победил в конкурсе короткометражного кино ММКФ