Марс часто изображают как сухую, безжизненную пустыню, но он гораздо активнее, чем кажется. Его разреженная атмосфера и пыльный рельеф создают среду, где постоянное движение генерирует электрическую энергию. Пылевые бури и вращающиеся пылевые вихри проносятся по поверхности, постоянно изменяя ландшафт и приводя в движение процессы, которые ученые только начинают полностью понимать.
Планетолог Алиан Ван углубленно изучает это явление. В серии исследований, включая недавнюю работу, опубликованную в журнале Earth and Planetary Science Letters, она исследовала, как эти электрически заряженные пылевые частицы влияют на химический состав Марса, в частности, посредством их воздействия на изотопы.
Статическое электричество и скрытые искры на Марсе
Когда частицы пыли сталкиваются и трутся друг о друга во время марсианских бурь, они накапливают статическое электричество. Это может создавать сильные электрические поля, которые вызывают электростатические разряды (ЭСД). Поскольку на Марсе очень низкое атмосферное давление, эти разряды происходят легче, чем на Земле.
Эти явления могут проявляться в виде слабого свечения, чем-то похожего на полярные сияния, и запускают цепь электрохимических реакций. Несмотря на свою незаметность, эти процессы играют важную роль в формировании поверхности и атмосферы планеты.
Лабораторные симуляции позволяют выявить химические реакции.
Ван, профессор-исследователь Вашингтонского университета в Сент-Луисе и научный сотрудник Центра космических наук Макдоннелла, воссоздала марсианские условия в лаборатории для изучения этих эффектов. При поддержке рабочей программы НАСА по Солнечной системе ее команда разработала две специализированные камеры моделирования: PEACh (камера для анализа и изучения планетарной среды) и SCHILGAR (камера моделирования с встроенным газоанализатором).
Используя эти системы, исследователи наблюдали широкий спектр химических продуктов, образующихся при электрических разрядах. К ним относятся летучие соединения хлора, активированные оксиды, карбонаты, содержащиеся в воздухе, и (пер)хлораты. Эти соединения являются ключевыми компонентами современной химической среды Марса.
Химические процессы, обусловленные пылью, и цикл хлора
Более ранние исследования команды Ванга показали, что связанная с пылью электрическая активность играет важную роль в хлорном цикле Марса. Поверхность содержит обширные залежи хлорида, оставленные древней соленой водой. Имитируя марсианские условия и тщательно измеряя результаты реакций, команда продемонстрировала, что активность пыли в жаркий и сухой амазонский период могла приводить к образованию карбонатов, (пер)хлоратов и летучих соединений хлора, которые соответствуют тем, что были обнаружены космическими аппаратами.
Изотопные данные указывают на крупный процесс.
Чтобы лучше понять эти реакции, команда Вана, в которую входят исследователи из шести университетов США, Китая и Великобритании, изучила изотопный состав хлора, кислорода и углерода, образующихся в результате этих разрядов. Они обнаружили устойчивое снижение содержания более тяжелых изотопов по всем трем элементам.
«Поскольку изотопы являются второстепенными компонентами в материалах, на изотопные соотношения может влиять только основной процесс в системе. Поэтому существенное истощение тяжелых изотопов трех подвижных элементов является неопровержимым доказательством важности электрохимических процессов, вызванных пылью, в формировании современной системы поверхности Марса и атмосферы», — говорит Ван.
Эти изотопные закономерности действуют как отпечатки пальцев, указывая на то, что электрохимические процессы, обусловленные пылью, являются доминирующей силой, формирующей облик Марса сегодня.
Новая модель химического цикла Марса
Объединив эти данные, исследователи разработали модель современного хлорного цикла Марса и образования карбонатов в атмосфере. Модель показывает, как реакции, вызванные электрическим током в пылевых бурях, высвобождают химические вещества в атмосферу, где они впоследствии осаждаются на поверхности. Некоторые из этих материалов даже перемещаются в подповерхностный слой, способствуя со временем образованию новых минералов.
Этот непрерывный процесс помогает объяснить постепенное истощение 37Cl, что привело к необычно низкому значению δ37Cl (-51‰), измеренному марсоходом Curiosity НАСА.
«Работа Алиана очень важна. Это первое экспериментальное исследование, посвященное изучению того, как электростатические разряды могут влиять на изотопы в марсианской среде. Изотопные сигнатуры подобны отпечаткам пальцев, и их можно использовать для отслеживания процессов, повлиявших на хлорный цикл на Марсе, что делает это исследование особенно ценным», — отмечает Кун Ван, доцент кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах Вашингтонского университета. «Хотя эксперименты не позволили получить чрезвычайно легкие изотопные сигнатуры хлора, измеренные марсоходами, они ясно показывают, что электростатические разряды могут направлять изотопное фракционирование хлора в нужном направлении. Таким образом, эта работа является важным шагом к пониманию происхождения этих необычно легких изотопных сигнатур хлора и образования перхлоратных минералов на поверхности Марса. Она также подчеркивает, насколько Марс отличается от Земли, с совершенно иными атмосферными и поверхностными процессами, контролирующими химические реакции».
Космические миссии подтвердили наличие электрической активности.
Недавние наблюдения марсохода НАСА «Персеверанс» подтверждают эти данные. Марсоход зафиксировал 55 электрических разрядов во время пылевых вихрей и на передних кромках пылевых бурь. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature, согласуются с более ранней работой Ванга, в которой предсказывались химические последствия таких разрядов.
Ее исследования (пер)хлоратов, аморфных солей, карбонатов, содержащихся в воздухе, и летучих соединений хлора совпадают с наблюдениями космических аппаратов, что подтверждает предположение о том, что электрохимические процессы, вызванные пылью, являются активным и непрерывным процессом на Марсе.
Последствия за пределами Марса
Значение этого исследования выходит за пределы Красной планеты. Подобные электрохимические процессы могут происходить и на других мирах, включая Венеру, Луну и планеты во внешней части Солнечной системы. Это говорит о том, что электрическая активность, вызванная пылью, молниями или энергетическими частицами, может играть более широкую роль в формировании планетарной среды.
«Это исследование проливает свет на важный аспект современного Марса: взаимодействие атмосферы и поверхности. Но оно также рассказывает нам о том, как частично сформировался химический состав поверхности, — и содержит ценные уроки для других миров, где может происходить трибоэлектрическая зарядка, включая Венеру и Титан», — говорит Пол Бирн, доцент кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах Вашингтонского университета.
Более динамичный взгляд на Марс
В совокупности эти открытия рисуют картину Марса как активного и развивающегося мира. Пылевые бури — это не просто погодные явления, а мощные факторы химических изменений. Раскрывая, как электрическая активность формирует планету, работа Ванга помогает ученым лучше понять прошлое, настоящее и потенциал Марса для будущих исследований.
По мере продолжения исследований выясняется, что Марс гораздо сложнее, чем считалось ранее, и многие его секреты еще ждут своего раскрытия.
Источник: www.sciencedaily.com
