субота, 31 грудня 2016 р.

Curiosity -- результати, 9

Увага, це старий текст, написаний на початку 2015-го! З того часу не мав можливості до нього повертатися, але викидати шкода, тому трішки відредагував і викладаю.  З іншого боку, особливих "метанових" новин з того часу мені не траплялося...

Двома найважливішими науковими новинами MSL Curiosity була органіка взагалі, і метан зокрема.

Почнемо із метану. Чого він важливий? Бо це живі істоти, (хай і в минулому) або це вулканізм (на крихітному, вистиглому всередині Марсі?), або ще щось таке ж цікаве. Але все по порядку.

Наочна схема можливих джерел марсіанського метану від NASA:
Кругообіг метану на Марсі. Деталі в тексті. Клікабельно!
(c) NASA / JPL / SAM-GSFC / U. Michigan


  • Метан може утворюватися під дією ультрафіолетового випромінювання із органіки. Органіка для цього потрапляє з космосу -- з кометної пилюки та метеоритів. Верхня межа концентрації метану із цих джерел оцінюється в 2.2 ppbv --- часток на мільярд за об'ємом (parts per billion by volume -- ppbv).
  • Утворюється він і від взаємодіє олівіну з водою. (Серпентизація)
  • Як згадувалося, живі істоти, зокрема --- бактерії, виділяють метан. 
  • Ще одне джерело (не вказане на схемі) --- вулканізм.
  • При чому, всі згадані джерела метану  не обов'язково повинні функціонувати безпосередньо зараз --- метан може бути збереженим в різних мінералах, поміж молекул їх речовин (так-званих клатратах), і виділятися звідти. (От в атмосфері руйнується він доволі швидко).

Ще одна схема кругообігу метану на Марсі.
(c) NASA

Історія пошуків метану на Марс довга. Згідно оригінальної роботи, про яку мова в цьому розділі, ("Mars methane detection and variability at Gale crater"):
  • На телескопі CGHT (Canada-France-Hawaii Telescope) було отримано 10 +- 3 часток на мільярд за об'ємом (parts per billion by volume -- ppbv). 1999 рік.
  • З NASA Infrared Telescope Facility (IRTF)  -- повідомляли про викиди в областях Terra Sabae, Nili Fossae, Syrtis Major, із річними коливаннями та максимумом літом, поблизу екватора, в 45 ppbv. 2003.
  • Згідно Fourier spectrometer (PFS)  на борту Mars Express  -- середня глобальна концентрація 15 +-5 ppbv, із натяками на локальні джерела та літнім максимумом в полярних регіонах в 45 ppbv. 2004.
  • Згідно даних Thermal emission spectrometer (TES), на борту Mars Global Surveyor, траплялися концентрації від 6 до 60 ppbv над областями де можна очікувати залишкової геотермальної активності --- Tharsis and Elysium, або з високою гідрацією -- Arabia Terrae. 2010.
  • В 2006, базуючись на даних  NASA IRTF, Краснопольський, отримав 10 ppbv в середніх широтах над  Valles Marineris і 3 ppbv в інших місцях. Його ж дослідження 2009-го дали 8 ppvb.
  • Виміри останні роки почали схилятися до верхньої межі глобальної концентрації 5 ppbv.
  • Перед посадкою Curiosity, PFS (2011) показав ~15 восени і ~30 зимою, а TES (2010) -- зворотню тенденцію, 30 ppbv восени і 5 зимою.
Здавалося б, чудово!  При чому, для наземних телескопів, детектування метану було б видатним! Концентрація метану в земній атмосфері -- 1800 ppbv, багато більша від вимірюваної -- спробуй відсіяти. (Роблять це, наприклад, із використанням ефекту Доплера -- Марс рухається відносно Землі, і спектральні лінії марсіанського метану зсуваються відносно "наших").

Однак, із тим всім дві проблеми. 
  •  Метан на Марсі доволі швидко розкладається під дією сонячної радіації --- час життя порядку 300 років. Атмосфера перемішується знааачно швидше, тому локальні неоднорідності виглядають дуже дивно.З іншого боку, "різностороннє" -- з багатьох різних причин, незрозуміло, як він може так швидко зникати -- різні запропоновані механізми суперечать іншим спостереженням. Говорячи напів-академічним сленгом, жодні моделі походження метану, фотохімічних реакцій та моделі циркуляції атмосфери не можуть пояснити ці спостереження так, що вони ще й узгоджувалися із всіма іншими. Тобто, маємо дуже сильний натяк -- щось із тими вимірами не так.
  • Curiosity привіз із собою SAM --- Sample Analysis at Mars, до якого входить Tunable laser spectrometer (TLS), призначений, поміж іншого, для пошуку метану. І прилад цей метану тривалий час не міг виявити.
На останнє -- подивимося детальніше. 

Спочатку кілька слів про TLS. Промінь лазера подорожує туди-сюди в спеціальній камері (камера має 20 см, подорожує 81 раз), при цьому вимірюється поглинання. Довжину хвилі лазера можна трохи змінювати, тому можна шукати лінії поглинання різних речовин -- метану, води, вуглекислого газу (та різних їх ізотопів, точніше цих же молекул, складених із різних ізотопів своїх атомів). При чому, пристрій може відкачувати "повітря" із камери -- щоб виміряти фон, може просто впускати її туди (із нормальним для Марса тиском), а може перед тим пропустити через спеціальний пристрій, що вловлює основну її складову -- вуглекислий газ, різко підвищуючи концентрацію решти складових (в 23+-1 раз).
Протягом першого року Curiosity шукав метан шість раз, тричі біля Rocknest (соли 79, 81, 106) і тричі в області Cumberland (292, 306, 313). Дані 306-го показали 5 ppbv, але дуже вже нагадували "глюк" і в подальшому аналізі не враховувалися. Результат сумний: 0.18 ± 0.67 ppbv. Похибка більша за величину, тобто, не факт, чи метан взагалі зафіксували. При тому можна говорити про верхню межу на його концентрацію, із довірчою ймовірністю  95%, 1.3 ppbv --- що помітно менше всіх описаних вище результатів.  Іншими словами --- немає метану. Що само по собі дуже дивно! Однак, веселіше стало потім. 466-го стало 5 ppbv, 474-го концентрація зросла до 7 ppbv, стільки ж залишилося 504-го, 526-го стало 9 ppbv! 
Концентрація метану, виміряна в різні соли. Вказано похибки, підписано зразки, взяті днем (решта -- вночі) та збагачені зразки. Сірі коробочки внизу показують тривалість різних аналізів:  Rocknest (RK), John Klein (JK),
Cumber (CB), combustion --- аналіз газів, отриманих під час роботи SAM.
(c) NASA / JPL
Після того вони провели три виміри, 573 і двічі 684, із використанням згаданого вище збагачення. Цього разу було отримано гарантоване детектування фонового метну, 0.69 ± 0.25 ppbv. Аналіз незбагаченого зразка 684-го узгоджується із цим, хоча і з значно більшою похибкою: 0.89 ± 1.96 ppbv. 

Підсумовуючи, виявлено фонову концентрацію метану, хоч і крихітну -- 0.7 ppbv, а протягом 60 солів спостерігалося зростання концентрації в десять раз, до 7.19 ± 2.06 ppbv. (Різниця між різними показами цього періоду статистично не достовірна). Фонова концентрація виглядаю природною -- сама тільки космічна (кометна в основному) пилюка приносить досить органіки, щоб дотягнути до концентрації 2.2 ppbv (за максимально оптимістичних оцінок), помітно більшої, ніж зафіксовано. От 7 ppbv вимагають інших джерел, можливо --- декількох.

Взагалі, такий короткочасний викид, який зникає безслідно, виглядає дуже дивним. Поки переконливого пояснення немає. Зокрема, падіння метеорита, достатнього розміру, щоб породити (через розклад його органіки, якої в космосі досить) стільки метану, мало б породити кратер, діаметром десятки метрів, чого на фото з орбіти не виявлено. Як би там не було, науковці схиляються до думки (якраз через різкість зникнення), що це була близька, невелика, подія, на противагу далекій, але масштабній. Є натяк, що прилетіло воно з півночі. Також, виключається і просторово локальна (на противагу локальній по часу --- короткій тобто) область підвищеної концентрації --- за час епохи "7 ppbv" марсохід проїхав 2 км, за місцевих вітрів у 7 м/с, двох хвилин достатньо, щоб "долетіло", а враховуючи, що протягом доби вітер сильно змінює свій напрямок, просторова локалізація виключена.

Через загадковість явища та його сенсаційність, науковці ретельно проаналізували можливі джерела помилок у їх вимірах. ("Extraordinary claims require extraordinary evidence".) Вони постаралися виключити всі можливі джерела таких помилок. Деталі описано в додаткових матеріалах до статті.
Метан в повітрі, привезеному із Землі (де його багато), в якихось частинах оптичної системи? Виміри порівнювалися із показами комірки, з якої все відкачано. Метан, створений розкладом MTBSTFA, що витік із однієї з комірок SAM (і породжує купу проблем!)? Справді, в газі, що виділяється під час роботи SAM, концентрація метану доходить до 10 ppbv, і, ймовірно, переважна більшість його -- якраз походить із цього забруднення. Може наміряний метан --- залишки отого, із SAM? Але кореляції концентрації із часом з останнього запуску SAM немає. Може комірка забруднилася MTBSTFA, який залишається на поверхні під час відкачування, але реагує з марсіанською атмосферою? Науковці переконані, що помітили б таке забруднення за зниженням потужності лазера. І т.д. і т.п. Поміж то все, вивчалися кореляції метану із купою інших параметрів. Може то рух марсохода руйнував породи із метаном (клатрати)? Кореляцій із концентрацією та часом, який стояли перед тим на цьому місці, немає. Як немає і кореляції із місцевістю, по якій їхали, із роботою APXS, порою року, тиском, відносною вологістю, напрямку, в якому дивився забірний отвір пристрою, фоновим рівнем радіації. Слабенькі антикореляції виявлено із абсолютною вологістю, температурою повітря та поверхні і прозорістю атмосфери (кількістю пилюки в ній), але а) слабенькі, б) при такій кількості вимірів один фактор множинних перевірок чого значить -- завжди якісь псевдо-кореляції мають шанс проявитися, в) -- найважливіше, перший ж збагачений експеримент ту антикореляцію псує. Зберігається певна (анти)кореляція із концентраціями кисню та водяної пари за вимірами ChemCam.
Отож, метан достовірно є, хоч і мало, достовірно зафіксовано короткочасне (60 солів) зростання його концентрації на порядок. Чекаємо на наступні дані стосовно цієї загадки.
Детальніше див. оригінальну статтю, (цілком читабельну для підготовленого НЕ-спеціаліста): "Mars methane detection and variability at Gale crater", її популярний огляд від "Curiosity results from AGU: Methane is there, and it's variable" та загальний аналіз ситуації із метаном на Марсі до цієї публікації виходу: "Like A Bad Penny: Methane on Mars". Детальніше про SAM див. тут: "More than you probably wanted to know about Curiosity's SAM instrument".



Перейдемо тепер до іншої органіки -- тієї, що фіксує SAM у зразках породи. Її зразу ніби побачили ("Curiosity, місяць четвертий"), потім почали закрадатися все більші сумніви -- все той же MTBSTFA, забруднюючи зразки і взаємодіючи із ними, міг давати побачені результати.


На конференції "Geological Society of America (GSA)"-2014 було представлено деякі результати досліджень Curiosity.

Раз: всі породи, із якими стикався Curiosity -- осадової природи. Два -- основою їх служить вулканічна порода, базальт.

При чому, осадові породи найрізноманітніші -- із великими і дрібними (менше роздільної здатності мікроскопа MAHLI) крупинками, добре і погано посортовані, і т.д. Тобто, утворювалися вони в різних умовах. (Див. відповідні фото в статті Емілі: "GSA 2014: The puzzle of Gale crater's basaltic sedimentary rocks"). Частина із них включає воду, що швидко тече, частина -- стоячу воду. При чому, породи взаємодіяли з водою не раз, аргіліти (mudstones), алеврити (siltstones), піщаники (sandstones) містять тріщини, заповнені мінералами, що там відкладалися із води, яка скрізь них просочувалася.

Проблема, однак, у базальті. Він із водою (в геологічних масштабах часу) не дружить -- вона окислює вимиває із нього йони заліза, магнію, кальцію, перетворюючи у глини, багаті кремнієм та алюмінієм і, власне, водою. Тобто, осадова порода на основі базальту -- екзотика (хоч трапляється і на Землі). До речі, глину марсохід теж "бачив" -- там, де свердлив Yellowknife Bay.

Здавалося, що був лише один виняток, одна не осадова каменюка: перший досліджений "контактно" камінь, "Jake Matijevic", видавався звичайним базальтом, фрагментом застиглої лави. (Див. також тут: "Марсіанські хроніки -- Curiosity, перший квартал"). Однак, краще познайомившись із тим, що валяється по поверхні -- відкалібрувавши мозки, як казав один із науковців, наземна команда прийшла до висновку (хоч і не одностайного), що це теж був такий піщаник! Навіть зустріли камінь, Jum Jum, явний піщаник, із врахуванням нових знань, дуже схожий за виглядом і властивостями на Jake Matijevic.

Крім того, вважалося останнім часом, що осадові породи там світлі і м'які, а вулканічні -- навпаки. Це й використовувалося для інтерпретації орбітальних фото. Добре зберігаються кратери -- певне, вулканічна поверхня, погано -- певне осадова. Однак, згідно даних Curisoity (та Opportunity), виявляється, осадові породи бувають темними, і бувають міцними, а вулканічні породи, знову ж таки -- бувають м'якими і бувають світлими. Доведеться наново вчитися їх відрізняти...

В принципі, марсіанські породи дуже древні -- їм 3.5 млрд років, можливо земні осадові породи того часу теж багато базальту містили (зараз, крім базальту, багато що може тут осідати :-). Однак це не знімає питання -- як він зберігся у водному середовищі. Щось таки на Марсі йшло по іншому. Зокрема, науковець із групи CheMin, Allan Treiman, запропонував, що, можливо дроблення породи відбувалося не під дією води, а механічно, вода ж тільки переносила і осаджувала, при чому -- робила це швидко.

Тобто, Марс був достатньо вологий, щоб всі породи в околицях Curiosity були  осадовими, при тому дуже сухий, щоб вода брала участь в процесах лише нетривалий період... Трохи загадково, а трохи сумно -- не дуже шанси на якусь біосферу, хай тендітну.

Пара політично-фінансових статей. "What Happens When Space Projects Go Over Budget? The Curious Case of MSL’s Overrun" про вплив перевитрат на розробку і запуск Curiosity на решту місій та роботу НАСА взагалі. Та "FOIA Request Sheds Light on NASA Mission Extension Process", про вияснення того, чого MSL Curiosity була так жорстко розкритикована на "атестації", присвяченій аналізу, чи варто продовжувати місії, які виконали основну чи попередню продовжену програму. А також про спосіб громадянина США до внутрішніх документів державних установ.


Технічна стаття від Emily Lakdawalla, про те, як користуватися і як шукати зображення марсохода Curiosity, його слідів, областей, де він проїжджав,  до того і після, і т.д., на фото HiRISE: "HiRISE image coverage of the Curiosity field site on Mars, Version 2.0". Включає як технічні деталі роботи камери, так і деякі "тематичні" каталоги.


Посилання





The Planetary Society

"Открытый космос Зеленого кота"


Опубліковано о
Мітки: , , , ,

Немає коментарів:

Дописати коментар

Підписатися на: Дописати коментарі (Atom)