Waarom detecteren sommige wetenschappelijke instrumenten het gas op de Rode Planeet en andere niet?

Berichten over methaandetecties op Mars hebben zowel wetenschappers als niet-wetenschappers geboeid. Op aarde, een aanzienlijke hoeveelheid methaan wordt geproduceerd door microben die de meeste dieren helpen bij het verteren van planten. Dit verteringsproces eindigt met het uitademen of boeren van het gas in de lucht.

Terwijl er geen vee is, schaap, of geiten op Mars, het vinden van methaan daar is opwindend omdat het kan betekenen dat microben, of zijn, leven op de rode planeet. Methaan kan niets te maken hebben met microben of enige andere biologie, echter; geologische processen die de interactie van gesteenten met zich meebrengen, water, en warmte kan het ook produceren.

Voordat we de bronnen van methaan op Mars identificeren, wetenschappers moeten een oplossing vinden voor een vraag die aan hen knaagt:waarom detecteren sommige instrumenten het gas en andere niet? NASA's Curiosity-rover, bijvoorbeeld, heeft herhaaldelijk methaan gedetecteerd net boven het oppervlak van Gale Crater. Maar ESA's (de European Space Agency) ExoMars Trace Gas Orbiter heeft geen methaan gedetecteerd hoger in de atmosfeer van Mars.

"Toen de Trace Gas Orbiter in 2016 aan boord kwam, Ik verwachtte volledig dat het orbiter-team zou melden dat er overal op Mars een kleine hoeveelheid methaan is, " zei Chris Webster, voorsprong van het Tunable Laser Spectrometer (TLS) -instrument in het chemielaboratorium Sample Analysis at Mars (SAM) aan boord van de Curiosity-rover.

De TLS heeft gemiddeld minder dan een half deel per miljard aan methaan gemeten in Gale Crater. Dat komt overeen met ongeveer een snufje zout verdund in een zwembad van olympische afmetingen. Deze metingen werden onderbroken door verbijsterende pieken tot 20 delen per miljard in volume.

"Maar toen het Europese team aankondigde dat het geen methaan zag, Ik was zeker geschokt, " zei Webster, die is gebaseerd op NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië.

De Europese orbiter is ontworpen als de gouden standaard voor het meten van methaan en andere gassen over de hele planeet. Tegelijkertijd, Curiosity's TLS is zo nauwkeurig, het zal worden gebruikt voor vroegtijdige waarschuwing van branddetectie op het internationale ruimtestation en voor het volgen van zuurstofniveaus in astronautenpakken. Het is ook goedgekeurd voor gebruik in energiecentrales, op oliepijpleidingen, en in gevechtsvliegtuigen, waar piloten het zuurstof- en kooldioxidegehalte in hun gezichtsmaskers kunnen controleren.

Nog altijd, Webster en het SAM-team waren geschokt door de bevindingen van de Europese orbiter en gingen onmiddellijk op zoek naar de TLS-metingen op Mars.

Sommige experts suggereerden dat de rover zelf het gas aan het vrijgeven was. "Dus we hebben gekeken naar correlaties met het richten van de rover, de grond, het verpletteren van rotsen, de wieldegradatie - noem maar op, "Zei Webster. "Ik kan de moeite die het team heeft gestoken in het kijken naar elk klein detail om er zeker van te zijn dat deze metingen correct zijn, niet overdrijven. en zij zijn."

Webster en zijn team rapporteerden hun resultaten vandaag in de Astronomie en astrofysica logboek.

Terwijl het SAM-team zijn methaandetecties bevestigde, een ander lid van het wetenschappelijke team van Curiosity, planetaire wetenschapper John E. Moores van de York University in Toronto, publiceerde in 2019 een intrigerende voorspelling. in de zin dat ik de vraag stelde:'Wat als Curiosity en de Trace Gas Orbiter allebei gelijk hebben?'", zei Moores.

Moore, evenals andere Curiosity-teamleden die windpatronen in Gale Crater bestuderen, veronderstelde dat de discrepantie tussen methaanmetingen te wijten is aan het tijdstip van de dag waarop ze worden genomen. Omdat het veel kracht nodig heeft, TLS werkt meestal 's nachts wanneer geen andere Curiosity-instrumenten werken. De atmosfeer van Mars is 's nachts kalm, Moore merkte op, dus het methaan dat uit de grond sijpelt, hoopt zich op nabij het oppervlak waar Curiosity het kan detecteren.

De Trace Gas Orbiter, anderzijds, zonlicht nodig heeft om methaan ongeveer 3 mijl te lokaliseren, of 5 kilometer, boven het oppervlak. "Elke atmosfeer in de buurt van het oppervlak van een planeet doorloopt overdag een cyclus, "Zei Moores. Warmte van de zon doet de atmosfeer karnen terwijl warme lucht opstijgt en koele lucht zakt. Dus, het methaan dat 's nachts in de buurt van het oppervlak wordt opgesloten, wordt overdag gemengd met de bredere atmosfeer, die het verdunt tot niet-detecteerbare niveaus. "Dus ik realiseerde me geen instrument, vooral een in een baan om de aarde, zou alles zien, ', zei Moors.

Direct, het Curiosity-team besloot de voorspelling van Moores te testen door de eerste zeer nauwkeurige metingen overdag te verzamelen. TLS heeft methaan achtereenvolgens gemeten in de loop van één Marsdag, tussen één nachtmeting en twee dagmetingen. Bij elk experiment SAM zoog twee uur lang Marslucht naar binnen, het continu verwijderen van de kooldioxide, die 95% van de atmosfeer van de planeet uitmaakt. Dit liet een geconcentreerd methaanmonster achter dat TLS gemakkelijk kon meten door er vele malen een infrarood laserstraal doorheen te laten gaan, een die is afgestemd op het gebruik van een precieze golflengte van licht dat wordt geabsorbeerd door methaan.

"John voorspelde dat methaan gedurende de dag effectief tot nul zou dalen, en onze twee metingen overdag bevestigden dat, " zei Paul Mahaffy, de hoofdonderzoeker van SAM, die is gebaseerd op NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. De nachtmeting van TLS paste keurig binnen het gemiddelde dat het team al had vastgesteld. "Dus dat is een manier om deze grote discrepantie in bed te leggen, ' zei Mahaffy.

Hoewel deze studie suggereert dat methaanconcentraties de hele dag stijgen en dalen aan het oppervlak van Gale Crater, wetenschappers moeten de wereldwijde methaanpuzzel op Mars nog oplossen. Methaan is een stabiel molecuul dat naar verwachting ongeveer 300 jaar op Mars zal blijven bestaan ​​voordat het door zonnestraling wordt verscheurd. Als er constant methaan uit alle soortgelijke kraters sijpelt, waarvan wetenschappers vermoeden dat Gale geologisch niet uniek lijkt te zijn, genoeg ervan zou zich in de atmosfeer moeten hebben opgehoopt voor de Trace Gas Orbiter om te detecteren. Wetenschappers vermoeden dat iets in minder dan 300 jaar methaan vernietigt.

Er zijn experimenten aan de gang om te testen of zeer lage elektrische ontladingen veroorzaakt door stof in de atmosfeer van Mars methaan kunnen vernietigen, of dat overvloedige zuurstof op het oppervlak van Mars methaan snel vernietigt voordat het de bovenste atmosfeer kan bereiken.

"We moeten bepalen of er een sneller vernietigingsmechanisme is dan normaal om de datasets van de rover en de orbiter volledig op elkaar af te stemmen, ' zei Webster.