Den här grafen visar ett exempel på mätningar som gjorts av Atmospheric Chemistry Suite (ACS) MIR-instrument på ESA:s ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), med spektrala signaturer av koldioxid (CO2) och ozon (O3). Den nedre panelen visar data (blå) och en modell som passar bäst (orange). Den övre panelen visar de modellerade bidragen från en mängd olika gaser för detta spektralområde. De djupaste linjerna kommer från vattenånga (ljusblå). Den starkaste O3-funktionen (grön) finns till höger, och distinkta CO2-linjer (grå) visas till vänster. Placeringen av starka metanegenskaper (orange) visas också i de modellerade bidragen, även om metan inte observeras i TGO-data. Kredit:K. Olsen et al. (2020)
ESA:s ExoMars Trace Gas Orbiter har upptäckt nya gassignaturer på Mars. Dessa låser upp nya hemligheter om Mars atmosfär, och kommer att möjliggöra en mer exakt bestämning av om det finns metan, en gas associerad med biologisk eller geologisk aktivitet, på planeten.
Trace Gas Orbiter (TGO) har studerat den röda planeten från omloppsbana i över två år. Uppdraget syftar till att förstå blandningen av gaser som utgör Mars-atmosfären, med särskilt fokus på mysteriet kring förekomsten av metan där.
Under tiden, rymdfarkosten har nu upptäckt aldrig tidigare skådade signaturer av ozon (O3) och koldioxid (CO) 2 ), baserat på ett helt marsår av observationer från dess känsliga Atmospheric Chemistry Suite (ACS). Resultaten rapporteras i två nya tidningar publicerade i Astronomi &Astrofysik , en ledd av Kevin Olsen från University of Oxford, Storbritannien och en annan ledd av Alexander Trokhimovskiy från rymdforskningsinstitutet vid Ryska vetenskapsakademin i Moskva, Ryssland.
"Dessa egenskaper är både förbryllande och överraskande, säger Kevin.
"De ligger över det exakta våglängdsintervallet där vi förväntade oss att se de starkaste tecknen på metan. Innan denna upptäckt, kompaniet 2 funktion var helt okänd, och det är första gången ozon på Mars har identifierats i denna del av det infraröda våglängdsområdet."
Mars atmosfär domineras av CO 2 , som forskare observerar för att mäta temperaturer, spår säsonger, utforska luftcirkulationen, och mer. Ozon – som bildar ett lager i den övre atmosfären på både Mars och jorden – hjälper till att hålla atmosfärens kemi stabil. Både CO 2 och ozon har setts på Mars av rymdfarkoster som ESA:s Mars Express, men den utsökta känsligheten hos ACS-instrumentet på TGO kunde avslöja nya detaljer om hur dessa gaser interagerar med ljus.
Att observera ozon i området där TGO jagar metan är ett helt oväntat resultat.
Hur metan skapas och förstörs på Mars är en viktig fråga för att förstå de olika upptäckterna och icke-detekteringarna av metan på Mars, med skillnader i både tid och plats. Även om det utgör en mycket liten del av det totala atmosfäriska inventariet, Särskilt metan har viktiga ledtrådar till planetens nuvarande aktivitetstillstånd. Den här grafiken visar några av de möjliga sätten på vilka metan kan tillsättas eller avlägsnas från atmosfären. En spännande möjlighet är att metan genereras av mikrober. Om begravd under jorden, denna gas kan lagras i gitterstrukturerade isformationer som kallas klatrater, och släpps ut i atmosfären vid ett mycket senare tillfälle. Metan kan också genereras genom reaktioner mellan koldioxid och väte (som, i tur och ordning, kan produceras genom reaktion av vatten och olivinrika stenar), genom djup magmatisk avgasning eller genom termisk nedbrytning av forntida organiskt material. På nytt, detta kan lagras under jord och gasas ut genom sprickor i ytan. Metan kan också fastna i fickor med grund is, som säsongsbetonad permafrost. Ultraviolett strålning kan både generera metan – genom reaktioner med andra molekyler eller organiskt material som redan finns på ytan, som att kometdamm faller på Mars – och bryter ner det. Ultravioletta reaktioner i den övre atmosfären (över 60 km) och oxidationsreaktioner i den nedre atmosfären (under 60 km) verkar för att omvandla metan till koldioxid, väte och vattenånga, och leder till en livstid för molekylen på cirka 300 år. Metan kan också snabbt distribueras runt planeten genom atmosfärisk cirkulation, späder ut sin signal och gör det utmanande att identifiera enskilda källor. På grund av molekylens livslängd när man överväger atmosfäriska processer, alla upptäckter idag innebär att det har släppts relativt nyligen. Men andra genererings- och destruktionsmetoder har föreslagits som förklarar mer lokaliserade upptäckter och som också möjliggör ett snabbare avlägsnande av metan från atmosfären, närmare planetens yta. Damm finns rikligt i den lägre atmosfären under 10 km och kan spela en roll, tillsammans med interaktioner direkt med ytan. Till exempel, en idé är att metan diffunderar eller "sipprar" genom ytan i lokala regioner, och adsorberas tillbaka in i ytregoliten. En annan idé är att starka vindar som eroderar planetens yta gör att metan kan reagera snabbt med dammkorn, ta bort signaturen av metan. Säsongsbetonade dammstormar och dammjäklar kan också påskynda denna process. Fortsatt utforskning på Mars – från både omloppsbana och ytan – tillsammans med laboratorieexperiment och simuleringar, kommer att hjälpa forskare att bättre förstå de olika processerna som är involverade i att generera och förstöra metan. Kredit:European Space Agency
Forskare har kartlagt hur ozon från mars varierar med höjden tidigare. Än så länge, dock, detta har till stor del skett via metoder som förlitar sig på gasens signaturer i ultraviolett ljus, en teknik som endast tillåter mätning på hög höjd (över 20 km över ytan).
De nya ACS-resultaten visar att det är möjligt att kartlägga marsozon även i det infraröda, så dess beteende kan undersökas på lägre höjder för att skapa en mer detaljerad bild av ozons roll i planetens klimat.
Att reda ut metanmysteriet
Ett av huvudmålen med TGO är att utforska metan. Hittills, tecken på metan från mars – preliminärt spionerat av uppdrag inklusive ESA:s Mars Express från omloppsbana och NASA:s Curiosity-rover på ytan – är varierande och något gåtfulla.
Även om de genereras av geologiska processer, det mesta av metanet på jorden produceras av liv, från bakterier till boskap och mänsklig aktivitet. Att upptäcka metan på andra planeter är därför enormt spännande. Detta gäller särskilt med tanke på att gasen är känd för att bryta ner på cirka 400 år, vilket innebär att all metan som finns närvarande måste ha producerats eller släppts ut i det relativt korta förflutna.
"Att upptäcka en oförutsedd CO 2 signatur där vi jagar metan är betydelsefull, " säger Alexander Trokhimovskiy. "Denna signatur kunde inte redovisas tidigare, och kan därför ha spelat en roll i upptäckten av små mängder metan på Mars."
Observationerna analyserade av Alexander, Kevin och kollegor utfördes mestadels vid olika tidpunkter än de som stödde upptäckter av marsmetan. Förutom, TGO-data kan inte stå för stora plymer av metan, bara mindre mängder – och så, för närvarande, det finns ingen direkt oenighet mellan uppdragen.
"Faktiskt, vi arbetar aktivt med att samordna mätningar med andra uppdrag, " förtydligar Kevin. "Istället för att bestrida några tidigare påståenden, detta fynd är en motivation för alla lag att titta närmare – ju mer vi vet, desto djupare och mer exakt kan vi utforska Mars atmosfär."
Denna graf visar en ny CO 2 spektral funktion, aldrig tidigare observerats i laboratoriet, upptäckt i Mars atmosfär av Atmospheric Chemistry Suite (ACS) MIR-instrument på ESA:s ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). Grafen visar den fulla utsträckningen av det magnetiska dipolabsorptionsbandet för 16 O 12 C 16 O-molekyl (en av de olika "isotopologerna" av CO 2 ). Den övre panelen visar ACS MIR-spektra (visas i svart) tillsammans med det modellerade bidraget av CO 2 och H2O (visas i blått); modellen är baserad på databasen HITRAN 2016. Den nedre panelen visar skillnaden mellan data och modell, eller rester, avslöjar strukturen av absorptionsbandet i detalj. De beräknade positionerna för spektrallinjer är markerade med pilar, i olika färger som motsvarar olika "grenar" av absorptionsbandet (röd står för P-grenen, grön för Q-grenen och blå för R-grenen). Kredit:A. Trokhimovskiy et al. (2020)
Förverkliga potentialen i ExoMars
Metan åt sidan, resultaten visar hur mycket vi kommer att lära oss om Mars som ett resultat av ExoMars-programmet.
"Dessa fynd gör det möjligt för oss att bygga en bättre förståelse av vår planetariska granne, tillägger Alexander.
"Ozon och CO 2 är viktiga i Mars atmosfär. Genom att inte redovisa dessa gaser ordentligt, vi riskerar att felkarakterisera de fenomen eller egenskaper vi ser."
Dessutom, den överraskande upptäckten av den nya CO 2 band på Mars, aldrig tidigare observerats i laboratoriet, ger spännande insikter för dem som studerar hur molekyler interagerar både med varandra och med ljus - och söker efter de unika kemiska fingeravtrycken av dessa interaktioner i rymden.
"Tillsammans, dessa två studier tar ett betydande steg mot att avslöja Mars verkliga egenskaper:mot en ny nivå av noggrannhet och förståelse, säger Alexander.
Jämför atmosfären på Mars och jorden. Kredit:European Space Agency
Framgångsrikt samarbete i jakten på livet
Som namnet antyder, TGO:n syftar till att karakterisera alla spårgaser i Mars atmosfär som kan uppstå från aktiva geologiska eller biologiska processer på planeten, och identifiera deras ursprung.
ExoMars-programmet består av två uppdrag:TGO, som lanserades 2016 och kommer att få sällskap av Rosalind Franklin rover och Kazachok landningsplattform, kommer att lyfta 2022. Dessa kommer att ta instrument som kompletterar ACS till marsytan, undersöka planetens atmosfär ur ett annat perspektiv, och dela kärnmålet med ExoMars-programmet:att söka efter tecken på tidigare eller nuvarande liv på den röda planeten.
"Dessa resultat är det direkta resultatet av ett enormt framgångsrikt och pågående samarbete mellan europeiska och ryska forskare som en del av ExoMars, säger ESA TGO Project Scientist Håkan Svedhem.
"De sätter nya standarder för framtida spektralobservationer, och kommer att hjälpa oss att måla en mer komplett bild av Mars atmosfäriska egenskaper – inklusive var och när det kan finnas metan att hitta, som fortfarande är en nyckelfråga i Mars-utforskningen."
"Dessutom, dessa fynd kommer att föranleda en grundlig analys av all relevant data som vi har samlat in hittills – och utsikterna till ny upptäckt på detta sätt är, som alltid, väldigt spännande. Varje bit information som avslöjas av ExoMars Trace Gas Orbiter markerar framsteg mot en mer exakt förståelse av Mars, och tar oss ett steg närmare att reda ut planetens kvardröjande mysterier."
