Теперь команда ученых из Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивного движения думает, что у них есть возможный ответ. Исследователи предполагают, что 3,8 миллиарда лет назад на Марсе могла быть только умеренно плотная атмосфера.
Они определили фотохимический процесс, который мог помочь такой ранней атмосфере превратиться в нынешнюю тонкую, не создавая проблемы «недостающего» углерода, и таким образом, который согласуется с существующими измерениями изотопов углерода.Ученые описывают свои открытия в статье, опубликованной 24 ноября в журнале Nature Communications.
«Благодаря этому новому механизму все, что мы знаем о марсианской атмосфере, теперь можно собрать воедино в последовательную картину ее эволюции», — говорит Рэнью Ху, научный сотрудник JPL, посетитель кафедры планетологии в Калтехе и ведущий автор книги. бумага.При рассмотрении того, как ранняя марсианская атмосфера могла перейти в свое нынешнее состояние, есть два возможных механизма удаления избыточного углекислого газа (CO2). Либо CO2 был включен в минералы в горных породах, называемых карбонатами, либо был утерян в космосе.Отдельное недавнее исследование, проведенное в соавторстве с Бетани Эльманн, доцентом кафедры планетологии и научным сотрудником JPL, использовало данные нескольких спутников, вращающихся на орбите Марса, для инвентаризации карбонатных пород, показав, что в верхнем километре земной коры недостаточно карбонатов, чтобы удержать в себе карбонатные породы. отсутствует углерод из очень толстой ранней атмосферы, которая могла существовать около 3,8 миллиарда лет назад.
Чтобы изучить сценарий побега в космос, ученые исследуют соотношение углерода-12 и углерода-13, двух стабильных изотопов элемента углерода, которые имеют одинаковое количество протонов в своих ядрах, но разное количество нейтронов и, следовательно, разные массы. . Поскольку различные процессы могут изменять относительные количества этих двух изотопов в атмосфере, «мы можем использовать эти измерения соотношения в разные моменты времени в качестве отпечатка пальца, чтобы точно определить, что происходило с марсианской атмосферой в прошлом», — говорит Ху.Чтобы установить отправную точку, исследователи использовали измерения соотношения изотопов углерода в марсианских метеоритах, содержащих газы, образовавшиеся глубоко в мантии планеты. Поскольку атмосфера образуется в результате дегазации мантии в результате вулканической активности, эти измерения дают представление об изотопном соотношении исходной марсианской атмосферы.Затем ученые сравнили эти значения с изотопными измерениями текущей марсианской атмосферы, недавно собранными марсоходом НАСА Curiosity.
Эти измерения показывают, что атмосфера необычно обогащена углеродом-13.Ранее исследователи думали, что основной способ выброса марсианского углерода в космос — это процесс, называемый распылением, который включает взаимодействие между солнечным ветром и верхними слоями атмосферы.
Распыление приводит к тому, что некоторые частицы — более легкого углерода-12, чем более тяжелого углерода-13 — полностью покидают Марс, но этот эффект невелик. Так что должен был работать какой-то другой процесс.
Вот тут-то и появляется новый механизм. В исследовании исследователи описывают процесс, который начинается с того, что частица ультрафиолетового света от солнца попадает в молекулу CO2 в верхних слоях атмосферы. Эта молекула поглощает энергию фотона и разделяется на окись углерода (CO) и кислород.
Затем другая ультрафиолетовая частица попадает в CO, заставляя его диссоциировать на атомарный углерод (C) и кислород. Некоторые атомы углерода, произведенные таким образом, обладают достаточной энергией, чтобы покинуть атмосферу, и новое исследование показывает, что у углерода-12 гораздо больше шансов улетучиться, чем у углерода-13.
Моделируя долгосрочные эффекты этого механизма ультрафиолетовой фотодиссоциации в сочетании с выделением вулканического газа, потерями в результате распыления и потерями в карбонатных породах, исследователи обнаружили, что он очень эффективен с точки зрения обогащения углерода-13 в атмосфере. Используя изотопные ограничения, они затем смогли вычислить, что в атмосфере 3,8 миллиарда лет назад могло быть давление Земли или меньше в большинстве сценариев.«Эффективность этого нового механизма показывает, что на самом деле нет никаких расхождений между измерениями Curiosity современного обогащенного содержания углерода в атмосфере и количеством карбонатных пород, обнаруженных на поверхности Марса», — говорит Элманн, также соавтор исследования. новое исследование. «С помощью этого механизма мы можем описать эволюционный сценарий Марса, который объясняет очевидный углеродный баланс без пропущенных процессов или резервуаров».Авторы завершают свою работу, указывая на несколько тестов и уточнений для модели.
Например, будущие данные из текущей миссии Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) могут предоставить изотопное фракционирование происходящих в настоящее время атмосферных потерь в космос и улучшить экстраполяцию на ранний Марс.Ху подчеркивает, что эта работа является прекрасным примером междисциплинарных усилий. С одной стороны, по его словам, команда изучила химию атмосферы — изотопную сигнатуру, процессы ускользания и механизм обогащения.
С другой стороны, они использовали геологические данные и дистанционное зондирование марсианской поверхности. «Объединив их, мы смогли составить сводку эволюционных сценариев», — говорит Ху. «Я чувствую, что Калифорнийский технологический институт / Лаборатория реактивного движения — уникальное место, где у нас есть многопрофильные возможности и опыт, чтобы это произошло».