Марсіанський пил генерує електричні імпульси і трансформує хімічний склад планети.

Вчені виявили, що на Марсі пилові бурі створюють електростатичні розряди, які впливають на ізотопний склад як поверхні, так і атмосфери цієї Червоної планети.

Марс, часто сприймається як безжиттєва червона планета, насправді є надзвичайно активним середовищем. Його рідкісна атмосфера та запилена поверхня створюють умови для постійних електрохімічних реакцій, які змінюють ландшафт та хімічний склад планети. Науковець Аліан Ванг з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі провела низку досліджень, зосередившись на електричній активності марсіанського пилу. Її нова робота, опублікована в журналі Earth and Planetary Science Letters, розкриває ізотопні геохімічні наслідки цих явищ.

Коли потужні пилові бурі та вихрові пилові вихори проносяться по марсіанській поверхні, тертя між частинками пилу генерує електричний потенціал, який є досить сильним для виникнення електростатичних розрядів. Ці розряди руйнують тонку атмосферу планети й виявляються у вигляді ледь помітного моторошного світіння, схожого на земні полярні сяйва. Завдяки низькому атмосферному тиску на Марсі такі електростатичні явища відбуваються набагато частіше, ніж на Землі, запускаючи широкий спектр електрохімічних процесів.

Ванг, дослідниця та член Центру космічних наук Макдоннелла в університеті, займається вивченням електризованого середовища марсіанського пилу, розкриваючи, як електрохімічні реакції призводять до утворення різноманітних окиснених хімічних сполук. Її команда створила дві планетарні симуляційні установки під назвами PEACh та SCHILGAR, щоб дослідити широкий спектр продуктів реакцій, серед яких є леткі форми хлору, активовані оксиди, повітряні карбонати та перхлорати. Ці хімічні речовини відіграють важливу роль у геохімічних процесах на Марсі.

У попередньому дослідженні, проведеному Ванг та її колегами, було встановлено, що електричні розряди, викликані пилом, відіграють ключову роль у хлорному циклі Марса. Поверхня цієї планети вкрита залишками хлоридів, які свідчать про наявність давніх солоних вод. Використовуючи симуляційну камеру для умов Марса та різноманітні пастки для досягнення масового балансу, дослідницька група змогла кількісно оцінити продукти реакцій. Вони прийшли до висновку, що активність пилу на Марсі протягом спекотного і сухого періоду амазонії могла призводити до утворення карбонатів, перхлоратів та летючого хлору, що узгоджується з даними, отриманими від недавніх орбітальних апаратів, роверов та посадкових модулів.

Команда, очолювана Вангом, до складу якої увійшли представники шести університетів з США, Китаю та Великої Британії, провела дослідження ізотопного складу хлору, кисню та вуглецю в продуктах електростатичних розрядів. В результаті їх роботи було виявлено значне й узгоджене зниження вмісту важких ізотопів. Як зазначає Ванг, оскільки ізотопи є малими компонентами в матеріалах, їх співвідношення може змінюватися лише внаслідок основних процесів у системі. Таким чином, значне виснаження важких ізотопів трьох рухомих елементів слугує переконливим свідченням важливості електрохімічних процесів, зумовлених пилом, у формуванні сучасної системи поверхня-атмосфера на Марсі.

Кожне вимірювання ізотопів, разом із попередніми кількісними оцінками, є частиною більшого puzzle. Цей всебічний аналіз підтверджує, що електрохімічні процеси, спричинені активністю пилу на Марсі, стали основою для формування хімічного ландшафту планети. Отримані результати зміцнюють припущення, що пилова активність на Марсі відіграла ключову роль у розвитку сучасної геохімії як поверхневих, так і атмосферних процесів.

З цього дослідження ізотопів розроблено нову концептуальну модель сучасного глобального циклу хлору на Марсі та пов'язаних повітряних карбонатних мінералів. Ця модель ілюструє вражаючу взаємодію між електрохімічними процесами та вторинними мінералами, що знаходяться на поверхні планети та в її атмосфері. Вона показує, яким чином виснаження важких ізотопів у трьох рухливих елементах відбувається внаслідок електростатичних розрядів, викликаних пилом, які потрапляють в атмосферу, а потім осідають назад на поверхню, іноді проникаючи в підповерхневі шари та сприяючи формуванню нового 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 проведені експерименти не змогли відтворити надзвичайно легкі ізотопні сигнатури хлору, які були зафіксовані марсоходами, вони однозначно демонструють, що електростатичні розряди можуть викликати ізотопне фракціонування хлору у потрібному напрямку. Отже, ця робота є значущим кроком до розкриття походження цих незвичайно легких хлорних сигнатур та формування перхлоратних мінералів на поверхні Марса. Крім того, вона акцентує увагу на суттєвих відмінностях між Марсом та Землею, з їхніми різними атмосферними та поверхневими процесами, які впливають на 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 Ванга відкриває нові горизонти можливостей за межами Марса. Подібні електрохімічні процеси можуть мати місце на інших планетах і супутниках, таких як Венера, Місяць і віддалені планетарні системи. Це підкреслює важливість її роботи, вказуючи на те, що електрохімічні явища, спричинені марсіанським пилом, блискавками на Венері та енергійними електронами на Місяці і в зовнішніх планетах, можуть бути ключовими чинниками в планетарних процесах в межах нашої Сонячної системи.

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.