Naukowcy o krok bliżej do zrozumienia zagadki stężenia metanu w marsjańskiej atmosferze

Naukowcy zbliżyli się do rozwiązania trwających ponad dekadę sporów o pochodzenie i przyczyny zmian poziomu zawartości metanu w marsjańskiej atmosferze. Na podstawie danych z amerykańskiego łazika Curiosity i europejskiego orbitera Trace Gas Orbiter i nowych przypuszczeń o naturze wycieku metanu dokonano spójnych oszacowań wartości jego stężenia i zmian w obszarze Krateru Gale.

W skrócie

europejski orbiter TGO zmierzył bardzo niski poziom metanu w wyższych warstwach atmosfery Marsa

amerykański łazik Curiosity ocenił poziom metanu przy gruncie na niemal ośmiokrotnie wyższy

naukowcy proponują rozwiązanie tych sprzecznych wyników

zakładają, że niewielka ilość gazu wycieka przez powierzchnię Marsa całą dobę, ale w nocy, gdy łazik wykonywał pomiar akumuluje się przy powierzchni

taki model umożliwia otrzymać wynik 2,8 kg wycieku metanu na dobę z obszaru Krateru Gale, który godzi oba pomiary

nadal jednak ta hipoteza nie wyjaśnia niskiego pomiaru sondy TGO, z którego wynika, że za metan na Marsie odpowiedzialny byłby głównie jeden krater, w którym znajduje się Curiosity

Krater Gale to dno pradawnego marsjańskiego jeziora. Jego obszar od 2012 roku jest badany przez największy w historii wysłany na Marsa łazik Curiosity. To stamtąd pojazd odkrywał zmiany poziomu metanu, które zastanawiały naukowców.

Metan - najprostszy węglowodór nasycony - ekscytuje naukowców z uwagi na to, że na Ziemi za jego pochodzenie mogą odpowiadać organizmy żywe. Znane są mikroorganizmy potrafiące przetrwać bez tlenu pod powierzchnią, produkując metan. Metan może być też wytwarzany w procesach chemicznych np. poprzez reakcje skał z wodą albo rozkład związków zawierających w swojej strukturze metan.

Ostatnia praca zespołu naukowców z Johnem Moores z York University na czele opiera się na tym, że koncentracja metanu zmienia się w cyklu dobowym. Zespołowi udało się pogodzić dane z łazika Curiosity i sondy TGO, które wydawały się sobie przeczyć. Rozwiązaniem zagadki może być obserwacja, że koncentracja metanu spada podczas dnia z powodu zwiększonej konwekcji i znacząco rośnie blisko powierzchni w nocy, kiedy pionowe przepływy ciepła maleją w sile. Różnice w danych mogą wynikać z tego, że łazik mierzył poziom metanu około dwie godziny po lokalnej północy, kiedy gaz był uwięziony blisko gruntu i jego koncentracja była większa. Naukowcy użyli tego modelu i wyników z obserwacji orbitera i łazika i po raz pierwszy dane te dały spójny wynik wycieku metanu - wynoszący dla krateru Gale’a 2,8 kg na dobę. To około dziesięć razy mniejszy wyciek niż potrzebny przy uzasadnieniu poprzednich modeli.

Kolejny rozdział historii metanu na Marsie

W ubiegłym roku, po kilku latach misji Curiosity stwierdzono, że w obrębie krateru Gale występują sezonowe zmiany w stężeniu metanu. Instrument SAM na pojeździe zarejestrował 3 cykle roczne o średnim stężeniu 0,41 ppbv (0,41 części na miliard wg objętości). Na tej podstawie dało się oszacować górny limit tzw. mikrowycieków tła metanu spod powierzchni na 30 g na km² na rok.

Łazik Curiosity zaobserwował też wcześniej w 2013 roku nagły wzrost w poziomie metanu, aż do 7-9 ppbv. Co więcej w 2019 roku opublikowano pracę, w której ustalono, że sonda Mars Express w tym samym czasie w okolicach krateru wykryła również wysokie stężenie 15 ppbv.

Instrumenty na pokładzie europejskiego orbitera TGO podały solidną górną granicę dla poziomu metanu w atmosferze 5 km powyżej gruntu na 0,05 ppbv. Łącząc obserwacje średniego poziomu metanu 0,41 ppbv przy gruncie, stopnia mieszania się tego metanu z pozostałym powietrzem w obecnie przyjmowanych modelach atmosferycznych i wynoszący 300 lat okres występowania metanu można oszacować na 600 g na km² na rok, czyli 20 razy więcej niż szacunki na podstawie łazika. Poziom ten byłby też widoczny przez satelitę TGO.

Czas pomiaru powodem sprzeczności?

Naukowcy twierdzą, że dopiero gdy założymy, że pomiary instrumentu SAM wykonywane przez łazik nie są reprezentatywne przez całą dobę, można pogodzić sprzeczne obserwacje z orbitera i łazika. Naukowcy uwzględniając dyfuzyjność atmosfery w cyklu dobowym policzyli najpierw jakie przepływy metanu z powierzchni Marsa muszą występować, aby łazik mógł zaobserwować wykryty poziom tła. Następnie przy użyciu modeli numerycznych policzyli czy wykryte przepływy mogą wynikać ze stałego wycieku metanu z warstw pod powierzchnią krateru i - jeżeli mogą - to jaki musi być poziom tego stałego wycieku. Na bazie uzyskanego wyniku, można założyć jaka część powierzchni Marsa musi wypuszczać metan w świetle danych z sondy TGO, które ograniczyły od góry możliwy poziom metanu globalnie w górnych warstwach atmosfery planety.

Uwzględniając czas życia metanu w marsjańskiej atmosferze na 300 lat i górny limit obecności gazu atmosferze na 0,05 ppbv zmierzony przez sondę TGO można oszacować ile powierzchni Marsa musi generować zmierzone mikrowycieki metanu. Szacunki ograniczają tę powierzchnię na 27 000 km² - to bardzo mało, zaledwie 1,5 powierzchni samego Krateru Gale’a. Krater Gale’a jest wyjątkowy geologicznie, ale chyba nie na tyle, by być tak przeważającym źródłem metanu dla całej planety. Za brakiem akumulacji większej ilości metanu muszą więc prawdopodobnie stać procesy, które efektywnie zmniejszają średni czas życia cząsteczek metanu.

Co teraz?

Naukowcy sugerują w pracy potrzebę wykonania regularnych pomiarów poziomu metanu przy gruncie. Podkreślają przy tym, że nie jest możliwe dokładne oszacowanie stężeń metanu tuż przy powierzchni, za pomocą orbiterów. 20 czerwca br. podjęto nawet próbę wykonania pomiaru pod kątem tej hipotezy przez pojazd Curiosity. Łazik tak późno rano jak pozwalał mu na to budżet energetyczny, wykonał pomiar instrumentem SAM. Według modelu proponowanego w omawianej pracy, stężenie wynikające z mikrowycieków tła powinno o tej porze wynosić 0,5 ppbv, a wyniosło prawie 40 razy więcej! Najwięcej w historii tego typu pomiarów! Pisaliśmy o tym w lipcu. Możliwe, że był to duży lokalny wyciek o innej naturze. Taki pomiar jeszcze bardziej pokazuje potrzebę wykonania wielu regularnych pomiarów za pomocą przyszłych sond wysłanych na powierzchnię.

Opisywaną tutaj pracę opublikowano na łamach czasopisma Geophysical Research Letters.

Opracował: Rafał Grabiański

Na podstawie: Geophysical Research Letters/Australian National University

Więcej informacji:

Na zdjęciu: Jeden z autoportretów łazika Curiosity. Źródło: NASA/JPL-Caltech/MSSS.