Elektriciteten i dammstormar från mars hjälper till att bilda de enorma mängder perklorat som finns i planetens jordar, enligt ny forskning från Washington University i St. Louis.

Det är inte blixtnedslag utan en annan form av elektrostatisk urladdning som fyller nyckeln i den globala distributionen av den reaktiva kemikalien, sa Alian Wang, forskningsprofessor vid Institutionen för geo- och planetvetenskaper i konst och vetenskap.

"Vi hittade en ny mekanism som kan stimuleras av en typ av atmosfärisk händelse som är unik för Mars och som inträffar ofta, varar väldigt länge och täcker stora delar av planeten – dvs. dammstormar och stoftdjävlar, " sa Wang. "Det förklarar det unika, hög koncentration av en viktig kemikalie i Mars jordar och det är mycket betydelsefullt i sökandet efter liv på Mars."

Det nya arbetet är en experimentell studie som simulerar marsförhållandena i en laboratoriekammare på jorden.

Överraskande mängd av en reaktiv kemikalie

När NASA:s Phoenix Mars Lander anlände till planeten på jakt efter miljöer som lämpar sig för mikrobiellt liv, forskare blev förvånade över att hitta höga koncentrationer av perklorater i jorden – från 0,5 till 1,0 procent.

En populär missuppfattning vid den tiden fick vissa människor att tro att perklorater skulle döda alla mikrober från mars. I verkligheten, vissa mikrober kan använda perklorater som energikälla, även om perklorater är giftiga för människor.

Perkloratjonen – gjord av en kloratom och fyra syreatomer – är stabil, men klorat, en besläktad kemikalie med bara tre syreatomer, är ett starkt oxidationsmedel som demonstrerats av Kaushik Mitra, en doktorand vid Washington University i jord- och planetvetenskap.

Wangs nya forskning visar att klorat är den första och viktigaste produkten i vägen för fasövergångar från klorid till perklorat under flerfas redoxplasmakemi - den nya mekanismen som först beskrevs 15 oktober i tidskriften Earth and Planetary Science Letters .

En energikälla i stormen

På jorden, naturligt förekommande perklorater bildas av fotokemiska reaktioner som drivs av solljus. De är sällsynta, men de existerar:Perklorater som kommer från på detta sätt har hittats i jorden i hypertorra områden på jorden, som Atacamaöknen i Chile, Antarktis torra dalar eller Qaidambassängen på Tibetplatån, till exempel. Men Mars har cirka 10 miljoner gånger mer perklorat i sin jord än vad som skulle förutsägas enbart genom denna typ av fotokemi.

Modellörer föreslog att blixten kunde ge energin för dessa kemiska reaktioner på Mars. Men Wang och hennes team från Washington University – som inkluderar Kun Wang (ingen relation), biträdande professor i jord- och planetvetenskap; Jennifer Houghton, forskare; och Chuck Yan, ingenjörstekniker – var de första som skapade en faktisk experimentell simulering som visade ett utbyte av klorat/perklorat som var 1, 000 gånger det utbyte som genereras av fotokemi i laboratoriet.

Detta arbete slutfördes i samarbete med Z. C. Wu vid Institute of Space Science, Shandong University i Kina; William Farrell på NASA Goddard Space Flight Center; och Andrew Jackson vid Texas Tech University.

Forskarna designade två uppsättningar experiment med hjälp av en simulator kallad Planetary Environment and Analysis Chamber (PEACh), skapa en Mars-liknande atmosfär med liknande tryck- och temperaturförhållanden.

I den Mars-liknande atmosfären med låg densitet, som har mindre än en procent av jordens atmosfärstryck, Det är mindre sannolikt att laddade partiklar ackumuleras på avstånd för att bilda blixtens dramatiska spikbåge. Istället, vindhändelser som bär sand och damm är mer benägna att utveckla elektriska fält nära ytan som resulterar i antingen Townsend Dark Discharge, en effekt som inte är synlig, eller normal glödurladdning—som visas, precis som det låter, som ett svagt sken.

"Om ett foto togs på kvällen utan solljus, den normala glödurladdningen bör ses i form av ett svagt ljus och kan pågå längre än blixten, " sa Alian Wang. "Faktiskt, Jag har föreslagit för en atmosfärisk forskare som arbetar på Curiosity-rovern att de borde designa en kvällsfotosekvens för att fånga dammjäklar!"

I Mars-kammaren i laboratoriet, forskargruppen observerade den momentana genereringen av fria radikaler - molekyler med mycket reaktiva oparade elektroner - i normal glödurladdning, detekteras genom in situ plasmaemissionsspektroskopi. De mätte också övergången av klorid till klorat, och sedan att perklorera genom interaktion med de fria radikalerna, med Raman-laserspektroskopi.

Maskerar livets tecken

I genomsnitt, globala dammstormar på Mars inträffar vartannat marsår, medan regionala och lokala dammstormar inträffar varje år.

Wang och hennes team är övertygade om att deras resultat kan skalas upp till allmänna Mars-förhållanden och kan hjälpa forskare att förstå de stora koncentrationerna av dessa kemikalier i Mars mark.

Vad mer, Wang föreslår, klorater som produceras i stora mängder under dammhändelser kan fungera som asätare, reagerar med andra ytkemikalier på ett sådant sätt att de "rensar upp" biosignaturerna hos aktiva mikrober – maskerar eller raderar bevisen på liv på Mars.

"Denna studie öppnar en dörr. Den visar den starka oxidationskraften hos elektroner i en elektrostatisk urladdningsprocess som genereras av dammhändelser, ", sa hon. "Det tyder på att elektrostatisk urladdning i marsdammhändelser kan påverka många andra redoxprocesser i Mars atmosfär och Mars yta och under ytan, såsom järn- och svavelsystem också."