В пыли красной планеты. Ученый рассказал, как искать жизнь на Марсе

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 найти там жизнь. О начавшейся коллизии и как ее прекраснее всего разрешить сказал Олег Кораблев, научный любой владелец спектрометрического комплекса ACS, любой владелец 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 озона вырабатывается живыми организмами. Кое-что поступает из недр при сборке месторождений ископаемого топлива и в результате геотермальной активности. В последние годы свой вклад платит 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 на Красной планете сложились бы ограничения для образования кристаллов метана (клатратов). А вот газообразного метана, по задумке, там быть не надлежащего, однако его нашли.

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

Метан присматривали на Марсе с первых отправок. Приборы тогда были, по современным представлениям, несовершенные, но уже пытались измерять полосу CH4 в районе трех микрон. Без особого успеха. В 2003 году использовали аппарат Марс-Экспресс со спектрометром PFS на борту, созданном при нашем участии. 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 публикация принадлежит Владимиру Краснопольскому с коллегами, сотруднику Католического университета Америки (США). По данным наземного коллиматора Канада — Франция — Гавайи, установленного на горе Мауна-Кеа, они определили, что метан в атмосфере Марса есть.

Затем — статья по результатам работы научного коллектива PFS во главе с итальянским астрофизиком Витторио Формизано и сообщения Майкла Мумма из Центра космических полетов Годдара в США, опиравшегося также на наблюдения наземных измерений (полностью анализ опубликовали лишь в 2009 году).

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

Обсуждение такого 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 свищ, спектрометр на перестраиваемом луче TLS, — продолжает ученый.

TLS предназначен для измерения содержания озона и метана, изотопного раствора CO2. Взятый из атмосферы воздух помещают в 20-сантиметровую канаву и облучают лазером. Световой луч 81 раз отражается от зеркал, суммарно пробегая 16 метров. Поглощение излучения луча на этом оптическом пути индексирует очень чувствительный детектор.

Сначала результаты TLS, за которые отвечает организация Криса Вебстера из Лаборатории быстрого движения в Пасадене (США), были негативными: метана нет. Спустя два года его все-таки нашли, в том числе используя методик обогащения пробы: из канавы с воздухом откачивали углекислый газ и пары воды, в результате парциальное давление каждого из оставшихся газов повышалось. Это позволило измерить концентрацию метана на уровне меньше одной части на миллиард в объеме.

Подтвердились и определённые ранее всплески содержания метана. Еще в 2003 году организация Мумма зафиксировала выброс этого озона в период, когда в Северном полушарии было лето, — примерно 45 ppbv. Это единичное событие, допустили ученые, но тогда будет необходимо допустить, что на неосновательности действует некий фактор, рушащий метан за небольшое количество лет. Вероятнее всего, некий сильный окислитель.

Curiosity зарегистрировал также сезонные колебания метана. Данные за три марсианских года, что соответствует примерно шести земным, показали, что кратковременные иглы в районе семи ppbv замечаются, когда в Северном полушарии заканчивается лето. Вебстер с коллегами сделали вывод, что небольшие локальные источники метана висят под поверхностью, возможно, в кратере Гейла, где с 2012 года работает марсоход. Публикация 2018 года повторила эти результаты.

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

На этой волне интереса к метану все, конечно, ждали запуска TGO, и вообще находилась необходимость в независимых чувствительных измерениях газов в атмосфере Марса. Например, следы каких-то тонких химических процессов или вулканических выбросов, которые показали бы, что это не совсем мертвая с геологической точки зрения мира. Исследование малых атмосферных соединяющих — вот главная задача такого спутника. На борту ею занимаются два прибора из четырех. Это схожие по взгляду 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 миры тепловом излучении, а также во время затмений, то есть глядя прямо на Солнце, когда оно скрыто краем планеты.

Орбита круговая, низкая — 400 километров, с достаточно коротким периодом. За тленные сутки мы успеваем наблюдать 24 затмения: 12 восходов, 12 заходов. Это богатый материал для исследования, — объясняет он.

TGO фактически приступил к измерениям весной 2018 года.

Для столь тяжелого спутника не так просто сформировать низкую круговую орбиту. Потребовалось больше года применять схему аэроторможения. Первые затмения мы наблюдали 21 апреля. Данные с того момента и до октября 2018-го легли в основу публикации в Nature. Метан не обнаружили. Важно, что к этому результату прикомандируй две независимые группы ученых, анализировавшие данные двух разных приборов, — подчеркивает ученый.

Исследователи прочертили большую работу по очистке данных от шумов, которые занижали точность результатов. Вычислили высокий предел концентрации метана: 50 частей на триллион. Это в десять раз меньше, чем его фоновое содержание в атмосфере, зафиксированное Curiosity.

Такая буквальность — 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 эталону спектрометра SPICAV/SOIR миссии Венера Экспресс, созданного, кстати, тоже российскими учеными в середине нулевых.

Мы не считаем, что в данных TLS есть погрешности. Это очень совершенный прибор, обладающий абсолютным спектральным позволением. В отличие от него ACS и Nomad используют Солнце — некогерентный источник, белый для человеческого глаза. На самом деле он не таковский ровный, там есть еще линии поглощения в атмосфере. Сначала спектрометр смотрит на чистое Солнце, потом на него через атмосферу, затем мы делим одно на другое и получаем чистый спектр атмосферы и огромный оптический путь, — объясняет тонкости Олег Кораблев.

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

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

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

Если выброс из этого аккумулятора произошел всего один раз, то его следы скоро как в воду канут, поскольку у метана уменьшённого 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 целый месяц даже самые застойные полярные области полностью перемешаются. А в районе экватора — за несколько дней. Если есть где-то источник периодических выбросов, метан постепенно накопится в атмосфере и за 20 лет его будет столько, что мы бы уже увидели. В всеобщем, пока не получается слепить эти два источника данных, если не предположить непонятных еще механизмов, которые происходят в атмосфере, — говорит Кораблев.

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

Каждые несколько месяцев отправляется статья, где предлагают ближний механизм разрушения метана на основе лабораторных экспериментов, имитирующих инопланетарную атмосферу. Чтобы описать случающееся в реальной атмосфере, как хлеб насущного изменить модели, не пускаю другие составляющие. Пока не получается, — отмечает Кораблев.

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

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

PFS — это фурье-спектрометр, предопределённый для изучения поверхности Марса, составления температурных профилей атмосферы, определения состава аэрозолей по тресканию в отраженных солнечных лучах. Его спектральное разрешение гораздо ниже, чем у TLS, ACS и Nomad. Для таких чувствительных измерений, как концентрация метана, он не очень подходит. 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 специально для регистрации метана, тогда как в 1990-х, когда делали PFS (а разрабатывали его первый выход еще для советского аппарата Марс-96 ), никто не разрешался предложить искать метан на Марсе как признак жизни. Это было дурным тоном. Теперь парадигма поменялась, — дополняет Кораблев.

Уже 24 июня в NASA заявили, что Curiosity отметил 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, низведя уровень метана до фонового. Ученые из России и ЕС перепроверили данные TGO за тот период, но следов выброса не нашли.

Как климатизационные скептики критикуют глобальное потепление, так группа метаноскептиков сомневается в присутствии метана на Марсе. Они считают это все рекламным ходом, а результаты — притянутыми за уши. Лидер этого направления Кевин Занле из Центра космических исследований и астробиологии Эймса NASA ниспровергает все большие наблюдения по метану, говорю на многочисленные противоречия в блицанализе данных PFS. С критикой выступает также Франк Лефевр из LATMOS (Франция), где создаются модели циркуляции атмосферы Марса. В одной из последних публикаций, принадлежащих ученым Кембриджа (Великобритания) и Университета Вашингтона, показано отключение сильной зависимости концентрации метана от сезонных циклов.

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

С ними не сравнятся ни данные навозных наблюдений, ни измерения PFS. Данные MENCA — анализатора нейтрального состава экзосферы Марса с метановым сенсором на борту индусского 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 неосновательности, располагает только метеостанцией.

Так, что наши измерения метана на долговременную перспективу станут последним словом, — заключает ученый.

В отличие от Земли, поверхность которой очень частого перестраивается, на Марсе месторождения спокойнее, поэтому есть выходы очень древних горных пород, в рельефе 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 внутренними планетами Солнечной конструкции происходил обмен веществом, это факт. На Земле есть метеориты с Марса — и, видимо, наоборот. Не исключено взаимное осеменение мир, а может быть, жизнь занесли тела не из нашей системы. Если уж она началась, уничтожить ее практически невозможно: жизнь приноровляется к самым экстремальным условиям. Обнаруживают же микроорганизмы на большой глубине на Земле, почему бы и на Марсе им не быть? На серьезности жидкая вода, скорее какого-то, есть, — рассуждает Олег Кораблев.

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

Но мне кажется наиболее оптимальным исполнением вопроса возврат грунта с Марса на Землю. Есть большее количество признаков, по которым достаточно выбрать наиболее перспективные места для забора образцов, в том числе возраст, минералогический раствор. Комплекс SAM на марсоходе способен датировать грунт. Лучше всего взять пробы с серьезности. Вряд ли найдем нечто живое, но какие-то отблески — вполне вероятно, — говорит он.

Задача эта очень казусная. Вернуть даже единственную облатку с грунтом за одну отправку невозможно — не хватит питания. Значит, нужно функционировать поэтапно. Сначала доставить на поверхность марсоход для забора грунта. Именно это планирует NASA с помощью миссии Ровер-2020.

Следующий стадий — отправка модуля, который заберет образцы из ровера и доставит на орбиту. И заключительный шаг — аппарат читает на орбите груз и падает на Землю. Чтобы все это сработало, нужно беспримерное объединение усилий ведущих космических геймеров и немного удачи.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

В пыли красной планеты. Ученый рассказал, как искать жизнь на Марсе

комментарии (0)

Другие интересные новости

Французский композитор и пианист получил российское гражданство