Марсианский реголит — это тонкий слой рыхлых, рыхлых, неоднородных поверхностных отложений, покрывающих поверхность Марса . Термин «марсианский грунт» обычно относится к более тонкой фракции реголита. До сих пор ни один образец не был доставлен на Землю, что является целью миссии по возвращению образцов с Марса , но почва была изучена дистанционно с использованием марсоходов и марсианских орбитальных аппаратов . Ее свойства могут значительно отличаться от свойств земной почвы , включая ее токсичность из-за присутствия перхлоратов .
На Земле термин «почва» обычно включает органическое содержимое. [1] Напротив, планетологи принимают функциональное определение почвы, чтобы отличать ее от горных пород. [2] Горные породы обычно относятся к материалам размером 10 см и более (например, обломки, брекчия и обнаженные выходы пород) с высокой тепловой инерцией, с площадными фракциями, соответствующими данным инфракрасного термического картографа Viking (IRTM), и неподвижными в текущих эоловых (ветровых) условиях . [2] Следовательно, горные породы классифицируются как зерна, превышающие размер булыжников по шкале Вентворта .
Этот подход позволяет достичь согласия по всем методам дистанционного зондирования Марса, которые охватывают электромагнитный спектр от гамма-излучения до радиоволн . «Почва» относится ко всем другим, обычно неконсолидированным материалам, включая те, которые достаточно мелкозернисты, чтобы их можно было мобилизовать ветром. [2] Следовательно, почва охватывает различные компоненты реголита, идентифицированные в местах посадки. Типичные примеры включают: форму ложа (особенность, которая развивается на границе жидкости и подвижного ложа, такого как рябь и дюны), обломки (фрагменты ранее существовавших минералов и горных пород, таких как осадочные отложения), конкреции , дрейф , пыль , каменистые фрагменты и песок . Функциональное определение подкрепляет недавно предложенное общее определение почвы на земных телах (включая астероиды и спутники ) как неконсолидированного и химически выветренного поверхностного слоя мелкозернистого минерального или органического материала, толщина которого превышает сантиметровую шкалу, с грубыми элементами и сцементированными частями или без них. [1]
Марсианская пыль обычно ассоциируется с еще более мелкими материалами, чем марсианская почва, фракция которой составляет менее 30 микрометров в диаметре. Разногласия по поводу значимости определения почвы возникают из-за отсутствия комплексной концепции почвы в литературе. Прагматичное определение «среда для роста растений» было общепринятым в планетарном научном сообществе, но более сложное определение описывает почву как «(био)геохимически/физически измененный материал на поверхности планетарного тела, который охватывает поверхностные внеземные теллурические отложения». Это определение подчеркивает, что почва — это тело, которое сохраняет информацию о своей экологической истории и которому не нужно присутствие жизни для формирования.
Марсианский реголит токсичен из-за относительно высокой концентрации перхлоратных соединений, содержащих хлор . [3] Элементарный хлор был впервые обнаружен во время локальных исследований марсоходом Sojourner и был подтвержден Spirit , Opportunity и Curiosity . Орбитальный аппарат Mars Odyssey также обнаружил перхлораты по всей поверхности планеты.
Посадочный модуль NASA Phoenix впервые обнаружил соединения на основе хлора, такие как перхлорат кальция . Уровни, обнаруженные в марсианском реголите, составляют около 0,5%, что является уровнем, который считается токсичным для людей. [4] Эти соединения также токсичны для растений. Наземное исследование 2013 года показало, что концентрация 0,5 г на литр вызвала:
В отчете отмечено, что один из видов изученных растений, Eichhornia crassipes , по-видимому, устойчив к перхлоратам и может быть использован для удаления токсичных солей из окружающей среды, хотя в результате сами растения будут содержать высокую концентрацию перхлоратов. [5] Существуют доказательства того, что некоторые бактериальные формы жизни способны преодолевать перхлораты [6] [7] путем физиологической адаптации к увеличивающимся концентрациям перхлоратов, [8] а некоторые даже живут за счет них. [9] Однако дополнительный эффект высоких уровней УФ-излучения, достигающего поверхности Марса, разрушает молекулярные связи, создавая еще более опасные химические вещества, которые в лабораторных испытаниях на Земле показали, что они более смертоносны для бактерий, чем одни только перхлораты. [10]
Потенциальная опасность для здоровья человека мелкой марсианской пыли давно признана NASA . Исследование 2002 года предупредило о потенциальной угрозе, и было проведено исследование с использованием наиболее распространенных силикатов, обнаруженных на Марсе: оливина , пироксена и полевого шпата . Было обнаружено, что пыль реагирует с небольшим количеством воды, образуя высокореактивные молекулы, которые также производятся при добыче кварца и, как известно, вызывают заболевания легких у шахтеров на Земле, включая рак (в исследовании также отмечалось, что лунная пыль может быть хуже). [11]
Исходя из этого, с 2005 года Группа анализа программы исследования Марса (MEPAG) НАСА поставила перед собой цель определить возможное токсическое воздействие пыли на людей. В 2010 году группа отметила, что, хотя посадочный модуль Phoenix и марсоходы Spirit и Opportunity внесли свой вклад в ответ на этот вопрос, ни один из приборов не был пригоден для измерения конкретных канцерогенов , которые вызывают беспокойство. [12] Марсоход Mars 2020 — это астробиологическая миссия, которая также будет проводить измерения, чтобы помочь проектировщикам будущей человеческой экспедиции понять любые опасности, которые представляет марсианская пыль. Он использует следующие сопутствующие приборы:
Миссия марсохода Mars 2020 будет хранить образцы, которые потенциально могут быть извлечены будущей миссией для их транспортировки на Землю. Любые вопросы о токсичности пыли, на которые еще не были даны ответы на месте, могут быть затем рассмотрены лабораториями на Земле.
Марс покрыт обширными пространствами песка и пыли, а его поверхность усеяна камнями и валунами. Пыль иногда поднимается в обширные пылевые бури по всей планете . Пыль на Марсе очень мелкая, и ее достаточно, чтобы оставаться взвешенной в атмосфере, придавая небу красноватый оттенок. Красноватый оттенок обусловлен ржавыми железными минералами, предположительно образовавшимися несколько миллиардов лет назад, когда Марс был теплым и влажным, но теперь, когда Марс холодный и сухой, современная ржавчина может быть вызвана супероксидом , который образуется на минералах, подвергающихся воздействию ультрафиолетовых лучей солнечного света. [19] Считается, что песок движется только медленно под действием марсианских ветров из-за очень низкой плотности атмосферы в настоящую эпоху. В прошлом жидкая вода, текущая в оврагах и речных долинах, могла сформировать марсианский реголит. Исследователи Марса изучают, формирует ли подземные воды марсианский реголит в настоящую эпоху, и существуют ли на Марсе гидраты углекислого газа и играют ли они в этом какую-либо роль.
Считается, что большое количество льда из воды и углекислого газа [21] остается замороженным в реголите в экваториальных частях Марса и на его поверхности в более высоких широтах. Согласно детектору нейтронов высокой энергии спутника Mars Odyssey, содержание воды в марсианском реголите составляет до 5% по весу. [22] [23] Присутствие оливина , который является легко выветривающимся первичным минералом, было интерпретировано как означающее, что в настоящее время на Марсе доминируют физические, а не химические процессы выветривания . [24] Считается, что высокие концентрации льда в реголите являются причиной ускоренной ползучести почвы , которая образует округлую « размягченную местность », характерную для марсианских средних широт.
В июне 2008 года посадочный модуль Phoenix передал данные, показывающие, что марсианский реголит является слегка щелочным и содержит жизненно важные питательные вещества, такие как магний , натрий , калий и хлорид , все из которых являются ингредиентами для роста живых организмов на Земле. Ученые сравнили реголит около северного полюса Марса с реголитом из садов на заднем дворе на Земле и пришли к выводу, что он может быть пригоден для роста растений. [25] Однако в августе 2008 года посадочный модуль Phoenix провел простые химические эксперименты, смешав воду с Земли с марсианской почвой в попытке проверить ее pH , и обнаружил следы перхлората соли , а также подтвердил теории многих ученых о том, что марсианская поверхность была значительно щелочной , со значением 8,3. Присутствие перхлората делает марсианский реголит более экзотическим, чем считалось ранее (см. раздел Токсичность). [26] Дальнейшие испытания были необходимы для исключения возможности того, что показания перхлората были вызваны земными источниками, которые в то время считались способными мигрировать из космического корабля либо в образцы, либо в приборы. [27] Однако каждый новый посадочный модуль подтверждал их присутствие в реголтихе локально, а орбитальный аппарат Mars Odyssey подтвердил, что они распространены глобально по всей поверхности планеты. [4]
В 1999 году марсоход Mars Pathfinder провел косвенное электростатическое измерение марсианского реголита. Эксперимент по истиранию колес (WAE) был разработан с пятнадцатью металлическими образцами и пленочными изоляторами, установленными на колесе для отражения солнечного света на фотоэлектрический датчик. Камеры посадочного модуля показали, что пыль накапливается на колесах по мере движения марсохода, а WAE обнаружил падение количества света, попадающего на датчик. Считается, что пыль могла приобрести электростатический заряд, когда колеса катились по поверхности, в результате чего пыль прилипала к поверхности пленки. [28]
17 октября 2012 года ( марсоход Curiosity в « Rocknest ») был проведен первый рентгеноструктурный анализ марсианского реголита. Результаты показали наличие нескольких минералов, включая полевой шпат , пироксены и оливин , и предположили, что марсианский реголит в образце был похож на «выветренные базальтовые почвы » гавайских вулканов . [20] Гавайский вулканический пепел использовался исследователями в качестве имитатора марсианского реголита с 1998 года. [29]
В декабре 2012 года ученые, работающие над миссией Mars Science Laboratory , объявили, что обширный анализ марсианского реголита, проведенный марсоходом Curiosity, выявил наличие молекул воды , серы и хлора , а также следов органических соединений . [17] [18] [30] Однако нельзя исключать и земное загрязнение как источник органических соединений.
26 сентября 2013 года ученые НАСА сообщили, что марсоход Curiosity обнаружил «обильное, легкодоступное» количество воды (от 1,5 до 3 весовых процентов) в образцах реголита в районе Рокнест на острове Эолис в кратере Гейла . [31] [32] [33] [34] [35] [36] Кроме того, НАСА сообщило, что марсоход Curiosity обнаружил два основных типа реголита: мелкозернистый мафический тип и локально полученный крупнозернистый фельзитовый тип . [33] [35] [37] Мафический тип, как и другой марсианский реголит и марсианская пыль , был связан с гидратацией аморфных фаз реголита. [37] Кроме того, перхлораты , присутствие которых может затруднить обнаружение органических молекул, связанных с жизнью , были обнаружены на месте посадки марсохода Curiosity (и ранее на более полярном месте посадки Phoenix ), что предполагает «глобальное распределение этих солей». [36] НАСА также сообщило, что порода Jake M , порода, обнаруженная Curiosity по пути в Гленелг , была муджиеритом и очень похожа на земные муджиеритовые породы. [38]
11 апреля 2019 года НАСА объявило, что марсоход Curiosity пробурил и тщательно изучил « глиносодержащий пласт », который, по словам руководителя проекта марсохода, является «важной вехой» в путешествии Curiosity на гору Шарп . [39]
Людям понадобятся ресурсы in situ для колонизации Марса. Это требует понимания местных неконсолидированных отложений, но классификация таких отложений все еще находится в процессе разработки. Слишком мало известно о всей поверхности Марса, чтобы нарисовать достаточно репрезентативную картину. [40]
Аналогичного размера пыль осядет из более тонкой марсианской атмосферы раньше, чем на Земле. Например, пыль, взвешенная глобальными пылевыми бурями 2001 года на Марсе, оставалась в марсианской атмосфере всего 0,6 года, в то время как пыли с горы Пинатубо потребовалось около двух лет, чтобы оседать. [41] Однако в современных марсианских условиях вовлеченные массовые перемещения, как правило, намного меньше, чем на Земле. Даже глобальные пылевые бури 2001 года на Марсе переместили только эквивалент очень тонкого слоя пыли — около 3 мкм толщиной, если она отложилась с равномерной толщиной между 58° к северу и югу от экватора. [41] Отложение пыли в двух местах расположения марсохода происходило со скоростью примерно толщины зерна каждые 100 солов . [42]
Разница в концентрации пыли в атмосфере Земли и Марса обусловлена ключевым фактором. На Земле пыль, которая покидает атмосферную суспензию, обычно объединяется в более крупные частицы под действием почвенной влаги или взвешивается в океанических водах. Помогает то, что большая часть поверхности Земли покрыта жидкой водой. Ни один из этих процессов не происходит на Марсе, оставляя осажденную пыль доступной для взвешивания обратно в марсианской атмосфере. [43] Фактически, состав марсианской атмосферной пыли — очень похожий на поверхностную пыль — как наблюдалось с помощью термоэмиссионного спектрометра Mars Global Surveyor , может быть объемно доминируемым композитами плагиоклазового полевого шпата и цеолита [44] , которые могут быть механически получены из марсианских базальтовых пород без химического изменения. Наблюдения за магнитными пылевыми ловушками Mars Exploration Rovers показывают, что около 45% элементарного железа в атмосферной пыли максимально окислено ( Fe3 + ) и что почти половина находится в титаномагнетите, [45] оба согласуются с механическим происхождением пыли с водным изменением, ограниченным только тонкими пленками воды. [46] В совокупности эти наблюдения подтверждают отсутствие процессов агрегации пыли, вызванных водой, на Марсе. Кроме того, в настоящее время на поверхности Марса доминирует ветровая активность, а обильные поля дюн Марса могут легко выделять частицы в атмосферную суспензию посредством таких эффектов, как дезагрегация мелких частиц более крупными зернами посредством столкновений. [47]
Марсианские атмосферные пылевые частицы обычно имеют диаметр 3 мкм. [48] Хотя атмосфера Марса тоньше, Марс также имеет более низкое гравитационное ускорение, поэтому размер частиц, которые останутся во взвешенном состоянии, нельзя оценить только по толщине атмосферы. Электростатические и ван-дер-ваальсовы силы, действующие между мелкими частицами, вносят дополнительные сложности в расчеты. Строгое моделирование всех соответствующих переменных предполагает, что частицы диаметром 3 мкм могут оставаться во взвешенном состоянии неопределенно долго при большинстве скоростей ветра, в то время как частицы диаметром до 20 мкм могут войти во взвешенное состояние из состояния покоя при поверхностной турбулентности ветра всего лишь 2 мс −1 или оставаться во взвешенном состоянии при 0,8 мс −1 . [42]
В июле 2018 года исследователи сообщили, что крупнейшим источником пыли на планете Марс является формация Медузских ям . [49]
Исследования на Земле в настоящее время ограничиваются использованием имитаторов марсианского реголита , таких как имитатор MGS-1, произведенный Exolith Lab, [51], которые основаны на анализе с различных марсианских космических аппаратов . Это земной материал, который используется для имитации химических и механических свойств марсианского реголита для исследований, экспериментов и испытаний прототипов мероприятий, связанных с марсианским реголитом, таких как снижение пылеобразования транспортного оборудования, передовые системы жизнеобеспечения и использование ресурсов на месте .
Планируется ряд миссий по возвращению образцов с Марса , которые позволят доставить на Землю реальный марсианский реголит для более глубокого анализа, чем это возможно на поверхности Марса . Это должно позволить создать еще более точные имитаторы. Первая из этих миссий — многокомпонентная миссия, которая начнется с посадочного модуля Mars 2020. Он будет собирать образцы в течение длительного периода. Затем второй посадочный модуль соберет образцы и вернет их на Землю.
{{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )