Вторая загадка Марса: откуда там метан и зачем нужен ExoMars
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.
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. Читать далее
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.
