Марсіанський пил створює електричні розряди та змінює хімію планети

Марс, який часто зображують як безплідну червону планету, насправді є надзвичайно динамічним середовищем. Його тонка атмосфера та запилена поверхня створюють умови для постійних електрохімічних процесів, які формують ландшафт та хімічний склад планети. Планетарний науковець Аліан Ванг з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі присвятила серію досліджень вивченню електричної активності марсіанського пилу, а її остання робота, опублікована в журналі Earth and Planetary Science Letters, розкриває ізотопні геохімічні наслідки цих процесів.

Коли потужні пилові бурі та вихрові пилові диявли мчать по марсіанській поверхні, тертя між частинками пилу створює електричний потенціал, достатньо сильний для виникнення електростатичних розрядів. Ці розряди руйнують тонку атмосферу планети та проявляються як ледь помітне моторошне світіння, схоже на земні полярні сяйва. Через низький атмосферний тиск на Марсі такі електростатичні розряди відбуваються значно частіше, ніж на Землі, запускаючи різноманітні електрохімічні процеси.

Ванг, дослідниця та член Центру космічних наук Макдоннелла при університеті, вивчає цей електризований світ марсіанського пилу, з'ясовуючи, як електрохімічні реакції породжують різноманітні окиснені хімічні сполуки. Її команда побудувала дві планетарні симуляційні камери під назвами PEACh та SCHILGAR, щоб виявити захопливий спектр продуктів реакцій, включаючи леткі види хлору, активовані оксиди, повітряні карбонати та перхлорати. Ці хімічні речовини відіграють трансформаційну роль у геохімічних процесах Марса.

У попередньому дослідженні Ванг та її команда виявили вирішальну роль електричних розрядів, викликаних пилом, у хлорному циклі Марса. Поверхня планети вкрита хлоридними відкладеннями, залишками стародавніх солоних вод. Використовуючи марсіанську симуляційну камеру з різними пастками для досягнення балансу мас, команда кількісно визначила продукти реакцій. Вони дійшли висновку, що марсіанська пилова активність протягом спекотного та сухого амазонійського періоду планети могла генерувати карбонати, перхлорати та летючий хлор, що відповідає спостереженням нещодавніх марсіанських орбітальних апаратів, роверів та посадкових модулів.

Команда Ванг, до якої увійшли члени з шести університетів Сполучених Штатів, Китаю та Великої Британії, проаналізувала ізотопний склад хлору, кисню та вуглецю в продуктах електростатичних розрядів. Вони виявили суттєве та узгоджене виснаження важких ізотопів. За словами Ванг, оскільки ізотопи є незначними складовими в матеріалах, ізотопні співвідношення можуть змінюватися лише основним процесом у системі. Тому суттєве виснаження важких ізотопів трьох мобільних елементів є незаперечним доказом важливості електрохімії, викликаної пилом, у формуванні сучасної системи поверхня-атмосфера Марса.

Кожне ізотопне вимірювання, разом із попередніми кількісними визначеннями, діє як частина більшої головоломки. Цей комплексний погляд свідчить про те, що електрохімія, викликана марсіанською пиловою активністю, сформувала хімічний ландшафт планети. Ці висновки підкріплюють гіпотезу про те, що марсіанська пилова активність відіграла вирішальну роль у формуванні сучасної геохімії як поверхні, так і атмосфери.

З цього ізотопного дослідження виникає концептуальна модель сучасного глобального хлорного циклу Марса та повітряних карбонатних мінералів. Ця модель розкриває захопливу взаємодію між електрохімічними процесами та вторинними мінералами на поверхні Марса та в його атмосфері. Вона демонструє, як виснаження важких ізотопів у трьох мобільних елементах переноситься від продуктів електростатичних розрядів, викликаних пилом, в атмосферу, а потім повторно осідає на поверхню, навіть просочуючись у підповерхневі шари для формування наступного покоління поверхневих мінералів.

Триваюча електрохімія, керована пилом, протягом амазонійського періоду сприяла прогресивному виснаженню хлору-37, що призвело до дуже негативного значення дельта хлору-37 мінус 51 проміле, виявленого марсоходом Curiosity NASA. Кун Ванг, доцент кафедри наук про Землю, навколишнє середовище та планети у Вашингтонському університеті, зазначає, що робота Аліан дуже важлива. Це перше експериментальне дослідження, яке вивчає, як електростатичні розряди можуть впливати на ізотопи в марсіанському середовищі. Ізотопні сигнатури схожі на відбитки пальців, і їх можна використовувати для відстеження процесів, які вплинули на хлорний цикл на Марсі, що робить це дослідження особливо цінним.

Хоча експерименти не відтворили надзвичайно легкі ізотопні сигнатури хлору, виміряні марсоходами, вони чітко показують, що електростатичні розряди можуть спричиняти ізотопне фракціонування хлору в правильному напрямку. Тому ця робота є важливим кроком до розуміння походження цих незвично легких сигнатур хлору та утворення перхлоратних мінералів на марсіанській поверхні. Вона також підкреслює, наскільки Марс відрізняється від Землі, з дуже різними атмосферними та поверхневими процесами, що контролюють хімічні реакції.

Останнє дослідження Ванг збігається з новими відкриттями марсохода Perseverance NASA, який зафіксував 55 електричних розрядів на Марсі під час двох пилових дияволів та конвективного фронту двох пилових бур, опублікованих у журналі Nature. У цій публікації цитуються її попередні дослідження як хімічні наслідки електричних розрядів, підтверджуючи її роль провідного експерта в розумінні електрифікованого середовища Марса.

Її відкриття щодо ідентифікації, кількісного визначення та ізотопної сигнатури перхлоратів, аморфних солей, повітряних карбонатів та летких видів хлору узгоджуються зі спостереженнями марсіанських місій, надаючи переконливі докази електрохімії, викликаної пилом, на амазонійському Марсі.

Дослідження Ванг відкриває двері до нових можливостей за межами Марса. Подібні електрохімічні явища можуть існувати на інших планетах та супутниках, таких як Венера, Місяць та зовнішні планетарні системи. Це розширює значення її роботи, припускаючи, що електрохімія, викликана марсіанським пилом, венеріанськими блискавками та енергетичними електронами на Місяці та зовнішніх планетах, є важливими факторами планетарних процесів у всій Сонячній системі.

Пол Бірн, доцент кафедри наук про Землю, навколишнє середовище та планети у Вашингтонському університеті, каже, що це дослідження проливає світло на важливий аспект сучасного Марса: взаємодію атмосфери та поверхні. Але воно також розповідає про те, як частково сформувалася хімія поверхні, з цінними уроками для інших світів, де може відбуватися трибоелектричне заряджання, включаючи Венеру та Титан.