Вторая загадка Марса: откуда там метан и зачем нужен ExoMars

Все знают, что никто не знает, есть (была) ли жизнь на Марсе. Это первая загадка. Пятнадцать лет назад второй загадкой была вода на Марсе. Сейчас ее уже многократно разгадали — воду нашли, картографировали, изучили с поверхности. Но к тому времени нашли загадку не менее важную — марсианский метан.
zelenyikot.livejournal.com
9328

Про марсианский метан подробно рассказывает блогер, популяризатор науки и космической индустрии Виталий Егоров.

Метан — это простое органическое соединение с одним атомом углерода и четырьмя водорода. Метан занимает большую роль в жизни человечества на Земле, так как это основной компонент природного газа. Сейчас считается, что до 90% земного метана, в том числе запасенного в недрах, имеет биологическое происхождение. В то же время, в космосе его тоже немало — метан регистрировали на кометах, в атмосфере Юпитера метан занимает массу, равную трем планетам Земля, а на спутнике Сатурна Титане текут метановые реки в ледяных берегах. Читать далее

В 2003 году астрономы сообщили сенсационную новость — на Марсе найден метан. Более того, он не был равномерно «размазан» по всей атмосфере, а явно тяготел к определенным участкам планеты. Концентрация его была довольно ничтожна: от 250 до 10 частей на миллиард по разным оценкам. Общий объем выброса весной 2003 года примерно соответствовал 42 тыс. тонн газа, для сравнения, это примерно треть не самого крупного танкера-газовоза. То есть «Газпром» такие запасы заинтересовать не могли, зато очень взволновали научный мир.

Метановые выбросы зарегистрировали одновременно американские и российские астрономы, а через год эти данные были подтверждены с марсианской орбиты спутником Mars Express, то есть ошибки быть не могло. Ученым потребовалось найти ответ, откуда он взялся. Объяснить всё марсианской жизнью — заманчиво, но недостаточно аргументировано. Метан может быть результатом геофизической активности марсианских недр, может вырабатываться в некоторых реакциях окисления железа… Однозначно можно было сказать, что это метан по геологическим меркам «новый», так как под солнечным ультрафиолетом органика в атмосфере распадается за несколько сот лет.

Пока ученые думали, откуда метан появился на Марсе, он пропал. То есть практически совсем. Не рассеялся в атмосфере, до какого-то усредненного значения, а просто исчез, оставив совсем уж ничтожные концентрации, которые едва регистрировались доступными на тот день приборами.

Ученые приняли вызов, и к 2012 году снарядили марсоход Curiosity, который оборудовали чутким газоанализатором, способным определять метан в атмосфере. Правда послали его не туда, где наблюдались выбросы метана, так как главными в проекте были геологи, а у них нашлись свои цели в кратере Гейла.

Успешно высадившись и освоившись на Марсе, Curiosity провел первые исследования и признал, что метана нет. Точнее нет в той концентрации, которая была доступна его приборам. Астрономы с Земли практически подтвердили его результаты — метана и правда было совсем мало, на пределе разрешающей способности земных спектрометров.

Пока исследователи размышляли о марсианском метане Шредингера, прошел еще год и Curiosity прислал новые данные — таинственный газ снова появился в кратере Гейла… А потом снова пропал.

Пока американские ученые пытались высмотреть метан с телескопов с Земли и гонялись за ним на марсоходе, европейские и российские планетологи решили взяться за дело по-своему. Получив колоссальный опыт совместной эксплуатации космический аппаратов Mars Express и Venus Express и значительно доработав исследовательские приборы, они решили искать марсианский метан с орбиты. Как уже упоминалось, Mars Express регистрировал метан, но его разрешающая способность по распределению атмосферных газов оставляла желать лучшего. Набравшись опыта, россияне и европейцы решили подготовить аппарат, который сможет искать метан с точностью не менее чем в тысячу раз превышающую возможности Mars Express. Так родилась идея космического аппарата ExoMars Trace Gas Orbiter.

Точнее идея у европейцев появилась давно, но она переживала нелегкую судьбу, пока Европейское космическое агентство не подписало в 2013 году договор с Роскосмосом.

Сотрудничество по «ЭкзоМарсу» строится по принципам уже отработанным на «Экспрессах»: Россия обязалась предоставить две ракеты «Протон-М» для запуска спутника и марсохода, и на аппаратах будут установлены российские научные приборы вместе с европейскими. Первым рейсом отправляется спутник Trace Gas Orbiter. Он должен сбросить тестовый спускаемый модуль Schiaparelli, а потом несколько лет заниматься разгадыванием метановой головоломки. Заодно он сможет определить низкие концентрации других газов в атмосфере Марса, если они там есть. Например, если местные вулканы не совсем еще закаменели и хотя бы немного сочатся вулканическими газами, TGO должен найти эти газы и определить их источники.

Вообще, если предыдущее десятилетие было посвящено изучению геологии Марса как с орбиты, так и с поверхности, то сейчас уже идет «атмосферный» этап. Еще два года назад к Марсу прибыли американский аппарат MAVEN и индийский Mars Orbiter. Аппарат NASA четко заточен под изучение атмосферы и магнитосферы Марса, но он занимается верхними слоями и их взаимодействием с космическим ветром. MAVEN должен ответить на вопрос, как Марс теряет свою атмосферу, в то время как ExoMars TGO будет искать возможные источники ее пополнения из недр планеты.

Индийские ученые тоже заинтересовались метановым вопросом и даже снарядили отдельный прибор для его поиска, но пока только тестируют его. И надо понимать, что он вряд ли покажет качество выше, чем у Mars Express. Все-таки индийцы здраво оценивают свои возможности в межпланетных исследованиях и подчеркивали более демонстрационное значение своего аппарата.

ExoMars TGO — это трехметровый четырехтонный комический аппарат, который несет на борту 600-килограммовую «летающую тарелку» Schiaparelli и четыре основных научных прибора.

Schiaparelli нужен европейцам, чтобы научиться садиться на Марс. Ранее у них был неудачный опыт посадки в 2003 году. Как оказалось, зонд Beagle-2 все-таки сумел мягко сесть, но прекратил работу, так и не выйдя на связь. Теперь же ESA попытается повторить опыт на более высоком уровне: нашпиговав аппарат датчиками, которые будут собирать массу информации во время снижения и посадки.

Следующий этап проекта ExoMars, посадку марсохода, берет на себя Роскосмос, поэтому Schiaparelli — это задел на совсем уж далекое будущее. Хотя по некоторым оговоркам ясно, что потом Европа замахнется на новую амбициозную задачу — доставку грунта с Марса.

На Schiaparelli будет и климатическая исследовательская станция, но проработает она всего неделю — пока не сядут аккумуляторы. Долговременных источников питания на аппарате не предусмотрено. Одна любопытная деталь аппарата — лазерный уголковый отражатель.

Спутник ExoMars TGO не оборудован лазером, поэтому уголковый отражатель Schiaparelli точно так же остается на будущее. Возможно, в него попытаются пострелять даже с Земли. Еще в Schiaparelli интересно место посадки — равнина Меридиана.

На ней уже работает марсоход Opportunity и эта посадка будет самым тесным сближением на Марсе двух посадочных аппаратов. Несмотря на «близость», реально их будут разделять сотни километров, поэтому Oppy не сможет поздороваться со Schippy лично, в лучшем случае попытается пронаблюдать посадку, хотя увидеть что-либо с такого расстояния маловероятно.

Два главных научных прибора ExoMars TGO, европейский NOMAD и российский ACS, являются блоками нескольких спектрометров и частично дополняют друг друга, но захватывают разные диапазоны световых волн. Именно на них возлагается главная задача миссии — картография газов атмосферы Марса.

Оба они будут пользоваться одним «секретным методом» — наблюдать атмосферу на просвет. Т. е. анализировать свет солнца, погружающегося в атмосферу Марса на линии горизонта. Этот метод и высокое спектральное разрешение приборов позволяет не просто определять газы в атмосфере, но даже отличать их изотопный состав. А это ключевой показатель, который в теории позволит отличить биогенный газ от геологических выбросов. Разница — в атомном весе углерода.

На Земле жизнь предпочитает выделять метан с легким изотопом С12, т.к. его легче связывать с водородом в результате биохимических процессов. Геологические процессы не так избирательны, и в них С12 и С13 формируют метан примерно в равных пропорциях. Кроме метана, на биологическую активность может указывать аммиак, который точно так же выделяется живыми организмами в результате жизнедеятельности. Пока аммиака на Марсе не находили, но если он хоть немного содержится в атмосфере, то TGO его найдет. Разумеется, ученые знают только земную жизнь и фактически ее признаки ищут на Марсе, но за не имением альтернатив приходится «искать там где светлее». В свое оправдание они говорят, что законы физики и химии на наших планетах работают одинаково, геологическое строение похожее, а когда-то и условия были схожи, поэтому нет оснований полагать, что эволюция вещества из неживого в живое проходила как-то иначе.

К слову сказать, до конца не ясно, как на Земле-то проходил процесс зарождения жизни, и это, кстати, важный аргумент в пользу исследования Марса. Казалось бы, зачем вваливать сотни миллионов долларов, чтобы найти того, кто напустил газу на другой планете? А вот для того — чтобы понять, как мы на нашей-то планете оказались.

Сейчас уже мало кто из ученых всерьез полагает, что мы можем оказаться марсианами-переселенцами, в виде бактерий добравшиеся на метеоритах с Марса на Землю. Скорее обратный вариант — найдя на Марсе местную жизнь, придется доказать, что она действительно местная, а не залетела с Земли. Но все-таки Марс является такой относительно независимой лабораторией, где вдалеке от Земли мог проводиться повторный природный эксперимент по созданию живой материи, способной к осознанию себя, окружающего мира, запуску космических аппаратов и написанию статей.

Кроме оптических спектрометров, TGO несет на борту еще камеру CaSSIS, которая сможет снимать поверхность с разрешением до 5 метров и проводить стереосъемку местности. Предыдущий аппарат ESA Mars Express уже много лет ведет свои наблюдения за поверхностью и периодически радует шикарными панорамами. Его разрешение до 20 метров, то есть снимки TGO будут охватывать более узкие полосы местности, зато детали поверхности видны будут лучше. Снимки этой камеры будут использованы в том числе для выбора места посадки будущего марсохода Paster, который должен стартовать в 2018 или в 2020-м году.

К сожалению, кадры CaSSIS не помогут нам в поисках Марса-6, зато попробуем рассмотреть маленькое пятнышко парашюта «Марса-3». Правда неизвестно, когда будет сделан снимок нужного участка местности.

Четвертый прибор TGO снова российский — нейтронный детектор FREND. Его задача — картографирование содержания воды в грунте Марса на глубине до одного метра.

Подобный прибор Отдела ядерной планетологии у Марса уже летает, но его разрешение очень низкое — фактически равное высоте полета спутника.

Нейтронные детекторы регистрируют нейтроны, которыми планету бомбардирует Солнце. Часть нейтронов «отскакивает» от планеты, предварительно погрузившись в грунт на полметра или чуть больше. Скорость их возврата зависит от того, встретились ли они с водородом в грунте. Чем больше водорода, тем медленнее летят нейтроны. Регистрируя скорость нейтронов, можно определять, сколько водорода сокрыто в поверхности, а наиболее вероятный резервуар этого летучего газа — водяной лед. Предыдущее поколение детектора — HEND — летает на американском аппарате Mars Odyssey с 2001 года. Грубо говоря, он ловит все нейтроны, которые вылетают с поверхности, независимо от угла отражения. Поэтому очень сложно определить, откуда какой прилетел, и карты распределения воды, которые помог составить HEND, слишком мелкого масштаба.

На орбите Луны, на спутнике NASA LRO протестировано следующее поколение прибора — LEND. Он уже имеет т. н. «коллиматор» — маску, которая отсекает часть нейтронов, позволяя принимать их только с узкого участка местности. Этот коллиматор наделал шуму в лунной геологии — найдя воду там, где ее быть не должно, так что наверняка найдется что-то интересное и на Марсе, осталось только подождать несколько лет, пока наберется необходимый объем данных.

Больше информации о проекте ExoMars можно узнать на сайте Института космических исследований РАН или на сайте Европейского космического агентства.

Комментарии