Сколько углерода-13 «прячет» марсианская атмосфера?

18 мая 2023

Рубрика

Исследования

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%.

Показатель 13C/12C в зависимости от высоты (в км). Изображение из статьи Alday, J., Trokhimovskiy, A., Patel, M.R. et al., 2023

Показатель 13C/12C в зависимости от высоты (в км). Красный цвет — данные ACS на борту TGO для угарного газа CO, зеленым цветом — данные марсохода Curiosity для углекислого газа CO2. Пунктирными линиями показаны предсказания модели: черным цветом для угарного газа CO, синим цветом для углекислого газа CO2. Предсказание модели видимо объясняет падение среднего значения 13C/12C для CO, которое наблюдает ACS. Изображение из статьи Alday, J., Trokhimovskiy, A., Patel, M.R. et al., 2023

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).

Тэги

ТГО