A Strange Case of Carbon-13
Российский спектрометрический комплекс ACS на борту марсианского орбитального аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» обнаружил, что в атмосфере Марса молекул угарного газа с «тяжелым» изотопом углерода меньше, чем с обыкновенным. Эта маленькая деталь, возможно, позволит распутать сложную цепочку фотохимических реакций на Марсе и прояснить многие моменты его истории, в том числе — происхождение органических вещества на его поверхности. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Astronomy.
В атмосфере Марса, по сравнению с Землей, в среднем больше тяжелых изотопов углерода и кислорода. Изотопы — «варианты» атомов химических элементов, которые различаются числом нейтронов. «Тяжелыми» считаются изотопы углерода 13C (относительно 12C) и кислорода 18O (относительно 16O).
Хотя обе планеты «при рождении» получили примерно одинаковый состав веществ, соотношение изотопов в котором было также примерно одинаковым, но потом более легкий Марс без магнитного поля начал терять атмосферу (и воду) значительно быстрее, чем Земля. При этом легкие изотопы улетучивались раньше, что и сделало Марс таким, какой мы исследуем сегодня.
Зная сегодняшний состав планеты, её грунта и атмосферы, можно попробовать проследить её историю назад во времени. Для этого надо хорошо представлять не только общую картину химических и физических процессов, которые происходят на Марсе, но и её детали. Изотопный состав и есть одна из таких деталей, которые могут рассказать о многом и в настоящем, и в прошлом планеты.
Российский эксперимент ACS на борту орбитального аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» предназначен для исследования «тонкой структуры» марсианской атмосферы. Инфракрасные спектрометры в составе ACS способны регистрировать вещества, концентрация которых не превышает нескольких частиц на миллиард, и при этом различать молекулы по изотопному составу.
В работе, опубликованной в журнале Nature Astronomy, исследователи из отдела физики планет ИКИ РАН совместно с коллегами из зарубежных научных организаций изучали изотопный состав CO в зависимости от высоты над поверхностью, а полученные данные сравнивали с модельными результатами, которые учитывают фотохимические реакции распада углекислоты и образования угарного газа.
Впервые с помощью спектрометров ACS были получены данные об изотопном соотношении угарного газа CO в марсианской атмосфере. Измерения проводились на дневной стороне на разных высотах от поверхности, вплоть до 200 км,.
Как показали данные ACS, среднее отношение числа атомов 13C к числу атомов 12C (показатель 13C/12C) приблизительно равно 0,84. Говоря грубо, на каждый 100 атомов 12C приходится около 84 атомов 13C. Это ниже значения, которое получил марсоход Curiosity (NASA) для углекислоты CO2, примерно на 20%.
Чтобы объяснить эту особенность, исследователи промоделировали «жизненный цикл» углерода с учетом изотопного состава.
В чем здесь сложность? Углерод — часть углекислого газа CO2, основной составляющей марсианской атмосферы, а также угарного газа CO, которого, напротив, мало, — не более 0,1%.
И углекислый газ CO2, и угарный газ CO распадаются под действием солнечного ультрафиолета (этот процесс называется фотодиссоциацией). Но при этом надо иметь в виду, что после того, как молекула углекислоты CO2 распалась на угарный газ и атом кислорода, эти вещества могут снова превратиться в углекислоту (рекомбинировать). Если рекомбинировать не удалось, то молекула угарного газа CO может распасться на углерод и кислород, Далее углерод может или уйти в космос, или вступить в реакцию с веществами на поверхности, превратившись в «связанный углерод».
Если бы все эти процессы шли равномерно, то изотопный состав, то есть показатель 13C/12С, был бы примерно одинаков и для углекислоты, и для угарного газа, и даже для поверхностной органики (хотя в последнем случае ситуация была бы сложнее). Но это не так.
В частности, солнечный ультрафиолет легче разбивает молекулы углекислоты, которые содержат изотоп 12C, чем молекулы с «тяжелым» 13C. Поэтому значение 13C/12C для углекислоты оказывается больше, чем для угарного газа: на 100 атомов 13C придётся уже на 84 атома 13С, а, например, 104.
И это не конец цикла. Угарный газ, через цепочку реакций, служит источником углерода, который улетучивается в космическое пространство (этот механизм лучше всего работает на высоте больше 150 км). Опять же, более эффективно Марс покидает именно легкий изотоп 12C, чем тяжелый 13C. Поэтому, если в этой схеме учесть новый механизм разделения по изотопам, то, возможно, Марс за всю свою историю потерял не так много углерода (читай, атмосферы), как предполагалось ранее.
С другой стороны, по данным Curiosity, в составе марсианского грунта также сравнительно мало «тяжелого»13С. Видимо, это отражение того же процесса: в реакции с веществами поверхности вступает именно угарный газ, в котором сравнительно мало 13C.
Как подчеркивают исследователи, будущие исследования изотопных соотношений важны для понимания не только современных фотохимических циклов на Марсе, но и его истории.
***
Космический аппарат TGO (Trace Gas Orbiter) — часть проекта «ЭкзоМарс». TGO был запущен в марте 2016 г. в рамках первой миссии проекта «ЭкзоМарс-2016» и успешно работает на орбите вокруг Марса с весны 2018 г. Его научные задачи — регистрация малых составляющих марсианской атмосферы, в том числе метана, картирование распространенности воды в верхнем слое грунты с высоким пространственным разрешением порядка десятков км, стереосъёмка поверхности. На аппарате установлены два прибора, созданные в России: спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suit, Комплекс для изучения химии атмосферы) и нейтронный телескоп высокого разрешения ФРЕНД (FREND, Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector).
Дополнительная информация
- Alday, J., Trokhimovskiy, A., Patel, M.R. et al. Photochemical depletion of heavy CO isotopes in the Martian atmosphere. Nat Astron (2023)
- 11.05.2023 OU space scientists provide new insight into the evolution of Mars’ atmosphere / Новость на сайте Открытого университета
- 19.10.2021 Что мы узнали о Марсе в тридцать пятый марсианский год / Новость ИКИ РАН
- Сайт проекта «ЭкзоМарс», поддерживаемый ИКИ РАН
- Проект «ЭкзоМарс» на портале ЕКА