Dlaczego naukowcy interesują się powietrzem w probówkach NASA na Marsie?

Ukryty w każdej próbce skały i gleby pobranej przez NASAŁazik Perseverance jest potencjalnym dobrodziejstwem dla badaczy zajmujących się atmosferą.

Wytrwałość NASA Mars Łazik pobiera próbki z Marsa, w tym rdzenie skalne i gazy atmosferyczne, aby ostatecznie powrócić na Ziemię. Próbki te mogą dostarczyć ważnych informacji na temat marsjańskiej atmosfery i jej ewolucji, być może ujawniając obecność życia mikrobiologicznego miliardy lat temu. W szczególności próbki gazu mogą dostarczyć cennych danych na temat gazów śladowych i pradawnego klimatu planety, które można porównać z historią ziemskiej atmosfery i pomóc w informowaniu o przyszłych misjach załogowych na Marsa.

Kolekcja próbek Marsa

Z każdym skalistym jądrem, który łazik marsjański Perseverance NASA zamyka w tytanowych rurkach do pobierania próbek, naukowcy zajmujący się atmosferą stają się coraz bardziej podekscytowani. Próbki te są zbierane w celu ewentualnej dostawy na Ziemię w ramach kampanii zwrotu próbek Marsa dwadzieścia cztery podjęte dotychczas.

Większość tych próbek składa się z rdzeni skalnych lub gruzu skalnego (pękniętych skał i pyłu), które mogą ujawnić ważne informacje na temat historii planety i tego, czy życie mikrobiologiczne istniało miliardy lat temu. Jednak niektórzy naukowcy są podekscytowani perspektywą badania „przestrzeni nad głową”, czyli powietrza w rurach, w dodatkowej komorze wokół materiału skalistego.

Chcą dowiedzieć się więcej o marsjańskiej atmosferze, która składa się głównie z dwutlenku węgla, ale może zawierać także śladowe ilości innych gazów, które mogły być obecne od czasu powstania planety.

To zdjęcie przedstawia rdzeń skalny wielkości kawałka kredy w probówce na próbki umieszczonej wewnątrz instrumentu wiertniczego łazika marsjańskiego Perseverance należącego do NASA. Gdy łazik zamknie rurę, powietrze zostanie uwięzione w dodatkowej przestrzeni w rurze, widocznej tutaj w małej szczelinie (zwanej „przestrzenią nad głową”) nad skałą. Źródło obrazu: NASA/JPL-Caltech/Arizona State University/MSSS

Spostrzeżenia z Mars Headspace

„Próbki powietrza z Marsa nie tylko powiedzą nam o obecnym klimacie i atmosferze, ale także o tym, jak zmieniały się one na przestrzeni czasu” – powiedziała Brandi Carrier, planetolog w Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA w południowej Kalifornii. „Pomoże nam to zrozumieć, w jaki sposób ewoluują klimaty odmienne od naszego”.

Wśród próbek, które można sprowadzić na Ziemię, znajduje się tylko jedna rura wypełniona gazem zdeponowanym na powierzchni Marsa w ramach składowiska próbek. Jednak znacznie większa ilość gazu w układzie łazika znajduje się w przestrzeni rdzenia próbek skał. Jest to wyjątkowe rozwiązanie, ponieważ gaz będzie przez lata oddziaływać z materiałem skalistym wewnątrz rur, zanim próbki zostaną otwarte i poddane analizie w laboratoriach na Ziemi. To, co wydobędą z nich naukowcy, da wyobrażenie o ilości pary wodnej wirującej w pobliżu powierzchni Marsa, co jest jednym z czynników decydujących o tym, dlaczego lód tworzy się w określonych miejscach na planecie oraz o tym, jak obieg wody na Marsie ewoluował w czasie.

Na zdjęciu widać szczelną rurkę zawierającą próbkę powierzchni Marsa pobraną przez należący do NASA łazik marsjański Perseverance, po umieszczeniu jej wraz z innymi probówkami w „repozytorium próbek”. Inne napełnione probówki z próbkami przechowywane są wewnątrz łazika. Źródło obrazu: NASA/JPL-Caltech

Porównanie gazów śladowych i starożytnych atmosfer

Naukowcy chcą także lepiej poznać gazy śladowe w marsjańskim powietrzu. Jeszcze bardziej ekscytujące z naukowego punktu widzenia byłoby odkrycie gazów szlachetnych (takich jak neon, argon i ksenon), które są tak niereaktywne, że mogły występować w atmosferze w niezmienionej postaci od czasu ich powstania miliardy lat temu. Jeśli te gazy zostaną wychwycone, mogą odkryć, czy Mars na początku miał atmosferę. (Starożytny Mars miał gęstszą atmosferę niż obecnie, ale naukowcy nie są pewni, czy istniała tam zawsze, czy też rozwinęła się później.) Istnieją również poważne pytania dotyczące porównania starożytnej atmosfery planety z atmosferą wczesnej Ziemi.

Ponadto przestrzeń nad statkiem umożliwi ocenę wielkości i toksyczności cząstek pyłu, co pomoże przyszłym astronautom na Marsie.

„Próbki gazu mają wiele do zaoferowania naukowcom zajmującym się Marsem” – powiedział Justin Simon, geochemik z Johnson Space Center w Houston należący do NASA, który należy do grupy kilkunastu międzynarodowych ekspertów pomagających w podejmowaniu decyzji, jakie próbki powinien zebrać łazik. „Nawet naukowcy, którzy nie badają Marsa, będą zainteresowani, ponieważ rzuci to światło na powstawanie i ewolucję planet”.

Próbki powietrza Apollo

W 2021 roku grupa badaczy planet, w tym naukowcy z NASA, badała powietrze przywiezione z Księżyca w stalowym pojemniku przez Apollo 17 Astronauci około 50 lat temu.

„Ludzie myślą, że Księżyc jest pozbawiony powietrza, ale jego atmosfera jest bardzo delikatna i z biegiem czasu wchodzi w interakcję ze skałami powierzchniowymi Księżyca” – powiedział Simon, który bada różne próbki planet w Johnson. „Dotyczy to gazów szlachetnych wydobywających się z wnętrza Księżyca i gromadzących się na jego powierzchni.”

Techniki laboratoryjne analizy gazów

Sposób, w jaki zespół Simona pobrał gaz do badań, jest podobny do tego, co można zrobić z próbkami powietrza pobranymi przez Perseverance. Najpierw umieszczają nieotwarty wcześniej pojemnik w szczelnym pojemniku. Następnie przebili stal igłą, aby usunąć gaz, i umieścili ją w wymrażalniku – rurce w kształcie litery U, która wchodziła do cieczy, takiej jak azot, o niskiej temperaturze zamarzania. Zmieniając temperaturę cieczy, naukowcom udało się wychwycić na dnie wymrażarki niektóre gazy o niższej temperaturze zamarzania.

„Prawdopodobnie na świecie jest 25 zakładów, które przetwarzają gaz w ten sposób” – powiedział Simon. Dodał, że podejście to poza badaniem pochodzenia materiałów planetarnych można zastosować także do gazów emitowanych przez gorące źródła i gazy emitowane ze ścian aktywnych wulkanów.

Naturalnie źródła te dostarczają znacznie więcej gazu niż Perseverance dostarcza w swoich probówkach. Jeśli jednak pojedyncza rura nie pomieści wystarczającej ilości gazu do przeprowadzenia danego eksperymentu, naukowcy zajmujący się Marsem mogą łączyć gazy z wielu rur, aby uzyskać większą łączną próbkę – to kolejna metoda zapewniająca nauce dodatkowe możliwości.

Łazik marsjański Perseverance należący do NASA

Łazik NASA Perseverance, będący częścią misji Mars 2020, to zaawansowane mobilne laboratorium przeznaczone do badania powierzchni Marsa. Łazik został wystrzelony 30 lipca 2020 r. i wylądował na Marsie 18 lutego 2021 r. w kraterze Jezero. Podstawową misją misji Perseverance jest poszukiwanie śladów starożytnego życia i zbieranie próbek skał i regolitu (pękniętych skał i gleby) w celu ewentualnego sprawdzenia. powrót. do ziemi.