Марсианская почва — это мелкий реголит (покрытие рыхлых, рыхлых, неоднородных поверхностных отложений, покрывающих твердую породу), обнаруженный на поверхности Марса . Его свойства могут существенно отличаться от свойств земной почвы , в том числе по токсичности из-за присутствия перхлоратов . Термин марсианская почва обычно относится к более мелкой фракции реголита. До сих пор ни один образец не был возвращен на Землю, что является целью миссии по возврату образцов на Марс , но почва изучалась удаленно с использованием марсоходов и орбитальных аппаратов Марса .
На Земле термин «почва» обычно включает органические вещества. [1] Напротив, планетологи принимают функциональное определение почвы, чтобы отличить ее от горных пород. [2] Породы обычно относятся к материалам размером 10 см и более крупным (например, обломкам, брекчиям и обнаженным обнажениям) с высокой тепловой инерцией, с долями площади, соответствующими данным Viking Infrared Thermal Mapper (IRTM), и неподвижными в современных эоловых слоях ( ветер) условия . [2] Следовательно, горные породы классифицируются как зерна, превышающие размер булыжника по шкале Вентворта .
Этот подход позволяет согласовать методы дистанционного зондирования Марса, которые охватывают электромагнитный спектр от гамма- излучения до радиоволн . «Почва» относится ко всем другим, как правило, рыхлым материалам, в том числе достаточно мелкозернистым, чтобы их можно было перемещать ветром. [2] Следовательно, почва включает в себя множество компонентов реголита , обнаруженных на местах приземления. Типичные примеры включают: форму пласта (особенность, которая развивается на границе раздела жидкости и подвижного слоя, такого как рябь и дюны), обломки (фрагменты ранее существовавших минералов и горных пород, такие как отложения отложений), конкреции , дрейф , пыль , каменные фрагменты. и песок . Функциональное определение подкрепляет недавно предложенное общее определение почвы на земных телах (включая астероиды и спутники ) как рыхлого и химически выветренного поверхностного слоя мелкозернистого минерального или органического материала, превышающего толщину в сантиметровом масштабе, с грубыми элементами и сцементированными частями или без них. [1]
Марсианская пыль обычно означает даже более мелкие материалы, чем марсианская почва, фракция которой составляет менее 30 микрометров в диаметре. Разногласия по поводу значения определения почвы возникают из-за отсутствия в литературе целостного понятия почвы. Прагматическое определение «среда для роста растений» было широко принято в сообществе планетологов, но более сложное определение описывает почву как «(био)геохимически/физически измененный материал на поверхности планетарного тела, который включает поверхностные внеземные теллурические отложения». В этом определении подчеркивается, что почва — это тело, которое сохраняет информацию о своей экологической истории и для формирования которого не требуется присутствие жизни.
Марсианская почва токсична из-за относительно высоких концентраций перхлоратных соединений, содержащих хлор . [3] Элементарный хлор был впервые обнаружен в ходе локальных исследований марсоходом Sojourner и был подтвержден Spirit , Opportunity и Curiosity . Орбитальный аппарат Mars Odyssey также обнаружил перхлораты на поверхности планеты.
Посадочный модуль НАСА «Феникс» впервые обнаружил соединения на основе хлора, такие как перхлорат кальция . Уровни, обнаруженные в марсианской почве, составляют около 0,5%, что считается токсичным для человека уровнем. [4] Эти соединения также токсичны для растений. Наземное исследование 2013 года показало, что уровень концентрации, аналогичный марсианскому (0,5 г на литр), вызывает:
В отчете отмечается, что один из изученных типов 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] Есть свидетельства того, что некоторые бактериальные формы жизни способны преодолевать перхлораты [6] [7] путем физиологической адаптации к увеличению концентрации перхлоратов, [8] а некоторые даже живут за счет них. [9] Однако дополнительный эффект высоких уровней ультрафиолета, достигающих поверхности Марса, разрывает молекулярные связи, создавая еще более опасные химические вещества, которые, как показали лабораторные испытания на Земле, более смертоносны для бактерий, чем одни только перхлораты. [10]
Потенциальная опасность для здоровья человека мелкой марсианской пыли уже давно признана НАСА . Исследование 2002 года предупредило о потенциальной угрозе, а исследование проводилось с использованием наиболее распространенных силикатов, обнаруженных на Марсе: оливина , пироксена и полевого шпата . Было обнаружено, что пыль вступала в реакцию с небольшим количеством воды с образованием высокореактивных молекул, которые также производятся при добыче кварца и, как известно, вызывают заболевания легких у шахтеров на Земле, включая рак (исследование также отметило, что лунная пыль может быть еще хуже). . [11]
Вслед за этим с 2005 года Аналитическая группа программы исследования Марса НАСА (MEPAG) поставила перед собой цель определить возможное токсическое воздействие пыли на людей. В 2010 году группа отметила, что, хотя посадочный модуль «Феникс» и марсоходы «Спирит » и «Оппортьюнити» внесли свой вклад в ответ на этот вопрос, ни один из инструментов не подходит для измерения конкретных канцерогенов , вызывающих обеспокоенность. [12] Марсоход «Марс 2020» — это астробиологическая миссия, которая также проведет измерения, чтобы помочь проектировщикам будущей человеческой экспедиции понять любые опасности, исходящие от марсианской пыли. В нем используются следующие сопутствующие инструменты:
Миссия марсохода «Марс 2020» сохранит образцы, которые потенциально могут быть извлечены будущей миссией для их транспортировки на Землю. Любые вопросы о токсичности пыли, на которые еще не получен ответ на месте, могут быть решены в лабораториях на Земле.
Марс покрыт обширными пространствами песка и пыли, а его поверхность усеяна камнями и валунами. Пыль иногда поднимается во время огромных пылевых бурь , охватывающих всю планету . Марсианская пыль очень мелкая, и в атмосфере ее остается достаточно, чтобы придать 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 очень медленно под действием марсианских ветров из-за очень низкой плотности атмосферы в современную эпоху. В прошлом жидкая вода, текущая в оврагах и речных долинах, могла сформировать марсианский реголит. Исследователи Марса изучают, влияет ли истощение грунтовых вод на формирование марсианского реголита в современную эпоху, и существуют ли на Марсе гидраты углекислого газа и играют ли какую-то роль.
Считается, что большое количество льдов из воды и углекислого газа [21] остается замороженным внутри реголита в экваториальных частях Марса и на его поверхности в более высоких широтах. По данным детектора нейтронов высоких энергий спутника Mars Odyssey содержание воды в марсианском реголите составляет до 5% по массе. [22] [23] Присутствие оливина , который является легко поддающимся выветриванию основным минералом, было интерпретировано как означающее, что в настоящее время на Марсе доминируют физические, а не химические процессы выветривания . [24] Высокая концентрация льда в почвах считается причиной ускоренного ползучести почвы , которое образует округлый « смягченный рельеф », характерный для средних широт Марса.
В июне 2008 года посадочный модуль «Феникс» предоставил данные, показывающие, что марсианская почва слегка щелочная и содержит жизненно важные питательные вещества, такие как магний , натрий , калий и хлорид , которые являются ингредиентами для роста живых организмов на Земле. Ученые сравнили почву возле северного полюса Марса с почвой садов на Земле и пришли к выводу, что она может быть пригодна для роста растений. [25] Однако в августе 2008 года посадочный модуль «Феникс» 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 почва Поверхность была довольно простой , ее размер составлял 8,3. Присутствие перхлората делает марсианскую почву более экзотической, чем считалось ранее (см. раздел «Токсичность»). [26] Дальнейшие испытания были необходимы, чтобы исключить возможность того, что показания перхлората были вызваны земными источниками, которые, как считалось в то время, могли мигрировать с космического корабля либо в образцы, либо в приборы. [27] Однако каждый новый посадочный модуль подтвердил свое присутствие в почве локально, а орбитальный аппарат Mars Odyssey подтвердил, что они распространены по всей поверхности планеты. [4]
В 1999 году марсоход Mars Pathfinder выполнил косвенные измерения электростатики марсианского реголита. Эксперимент по абразивному износу колес (WAE) был разработан с использованием пятнадцати металлических образцов и пленочных изоляторов, установленных на колесе для отражения солнечного света на фотоэлектрический датчик. Камеры посадочного модуля показали, что пыль скапливается на колесах во время движения марсохода, а WAE зафиксировал уменьшение количества света, попадающего на датчик. Предполагается, что пыль могла приобрести электростатический заряд, когда колеса катились по поверхности, в результате чего пыль прилипала к поверхности пленки. [28]
Хотя научное понимание марсианских почв крайне зачаточно, их разнообразие может поставить вопрос о том, как мы можем сравнить их с нашими земными почвами. Применение наземной системы во многом является спорным, но простой вариант — отличить (в основном) биотическую Землю от абиотической Солнечной системы и включить все неземные почвы в новую Всемирную справочную базу для справочной группы почвенных ресурсов или таксономию почв Министерства сельского хозяйства США. Порядок, который можно условно назвать Астросолями. [29]
17 октября 2012 года ( марсоход Curiosity на « Рокнесте ») был выполнен первый рентгеноструктурный анализ марсианского грунта. Результаты выявили присутствие нескольких минералов, в том числе полевого шпата , пироксенов и оливина , и предположили, что марсианская почва в образце была похожа на «выветрелые базальтовые почвы » гавайских вулканов . [20] Гавайский вулканический пепел использовался исследователями в качестве имитатора марсианского реголита с 1998 года . [30]
В декабре 2012 года ученые, работающие над миссией Марсианской научной лаборатории , объявили, что обширный анализ марсианской почвы, проведенный марсоходом Curiosity , показал наличие молекул воды , серы и хлора , а также намеков на органические соединения . [17] [18] [31] Однако нельзя исключать земное загрязнение как источник органических соединений.
26 сентября 2013 года ученые НАСА сообщили, что марсоход Curiosity обнаружил « обильную, легкодоступную» воду (от 1,5 до 3 весовых процентов) в образцах почвы в районе Рокнест на Эолис Палус в кратере Гейла . [32] [33] [34] [35] [36] [37] Кроме того, НАСА сообщило, что марсоход Curiosity обнаружил два основных типа почвы: мелкозернистый основной тип и местный крупнозернистый кислый тип . [34] [36] [38] Основной тип, как и другие марсианские почвы и марсианская пыль , был связан с гидратацией аморфных фаз почвы. [38] Кроме того, перхлораты , присутствие которых может затруднить обнаружение связанных с жизнью органических молекул , были обнаружены на месте посадки марсохода «Кьюриосити » (а ранее на более полярном участке спускаемого аппарата « Феникс »), что позволяет предположить «глобальное распространение этих органических молекул». соли». [37] НАСА также сообщило, что камень Джейка М , камень, встреченный «Кьюриосити» на пути к Гленелгу , представлял собой мугеарит и очень похож на земные мугеаритовые породы. [39]
11 апреля 2019 года НАСА объявило, что марсоход Curiosity на Марсе пробурил и внимательно изучил « глиносодержащую единицу », которая, по словам руководителя проекта марсохода, является «важной вехой» в путешествии Curiosity на гору . Острый . [40]
Людям потребуются ресурсы на месте для колонизации Марса. Это требует понимания местных рыхлых массовых отложений, но классификация таких отложений все еще находится в стадии разработки. Известно, что вся поверхность Марса слишком мала, чтобы дать достаточно репрезентативную картину. Между тем, правильнее было бы использовать термин «почва» для обозначения рыхлых отложений Марса. [41]
Пыль аналогичного размера осядет из более тонкой марсианской атмосферы раньше, чем на Земле. Например, пыль, взвешенная в результате глобальных пылевых бурь 2001 года на Марсе, оставалась в марсианской атмосфере всего 0,6 года, в то время как пыль с горы Пинатубо оседала около двух лет. [42] Однако в нынешних марсианских условиях задействованные движения масс обычно намного меньше, чем на Земле. Даже глобальные пыльные бури 2001 года на Марсе переместили лишь эквивалент очень тонкого слоя пыли – толщиной около 3 мкм, если он отложился с одинаковой толщиной между 58° к северу и югу от экватора. [42] Отложение пыли на двух стоянках марсохода происходило со скоростью примерно в толщину зерна каждые 100 солов . [43]
Разница в концентрации пыли в атмосфере Земли и Марса обусловлена ключевым фактором. На Земле пыль, покидающая атмосферную взвесь, обычно агрегируется в более крупные частицы под действием влаги почвы или взвешивается в океанских водах. Помогает то, что большая часть поверхности Земли покрыта жидкой водой. На Марсе ни один из этих процессов не происходит, в результате чего осажденная пыль может быть взвешена обратно в марсианскую атмосферу. [44] Фактически, в составе марсианской атмосферной пыли – очень похожей на приземную пыль – по наблюдениям термоэмиссионного спектрометра Mars Global Surveyor , по объему могут преобладать композиты плагиоклазового полевого шпата и цеолита [45] , которые могут быть механически получены из Марсианские базальтовые породы без химических изменений. Наблюдения за магнитными пылевыми ловушками марсоходов позволяют предположить, что около 45% элементарного железа в атмосферной пыли максимально окислено ( Fe 3+ ) и что почти половина содержится в титаномагнетите, [46] что согласуется с механическим образованием пыли с помощью водного раствора. изменение ограничивается лишь тонкими пленками воды. [47] В совокупности эти наблюдения подтверждают отсутствие процессов скопления пыли, вызванных водой, на Марсе. Кроме того, в настоящее время на поверхности Марса доминирует ветровая активность, а обильные дюнные поля Марса могут легко превращать частицы в атмосферную взвесь в результате таких эффектов, как более крупные зерна, дезагрегирующие мелкие частицы в результате столкновений. [48]
Частицы марсианской атмосферной пыли обычно имеют диаметр 3 мкм. [49] Важно отметить, что, хотя атмосфера Марса тоньше, Марс также имеет более низкое гравитационное ускорение, поэтому размер частиц, которые останутся во взвешенном состоянии, невозможно оценить только по толщине атмосферы. Электростатические силы и силы Ван-дер-Ваальса , действующие среди мелких частиц, вносят дополнительные сложности в расчеты. Строгое моделирование всех соответствующих переменных показывает, 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 попадать во взвешенное состояние из состояния покоя при турбулентности приземного ветра всего лишь 2 мс- 1 или оставаться во взвешенном состоянии. при 0,8 мс -1 . [43]
В июле 2018 года исследователи сообщили, что крупнейший источник пыли на планете Марс происходит из формации Ямки Медузы . [50]
Исследования на Земле в настоящее время ограничиваются использованием симуляторов марсианского грунта , таких как симулятор MGS-1, производимый Exolith Lab [52] , который основан на анализе, проведенном различными марсианскими космическими кораблями . Это земной материал, который используется для моделирования химических и механических свойств марсианского реголита для исследований, экспериментов и испытаний прототипов деятельности, связанной с марсианской почвой, такой как снижение запыленности транспортного оборудования, передовые системы жизнеобеспечения и использование ресурсов на месте .
Планируется ряд миссий по возврату образцов с Марса , которые позволят вернуть настоящий марсианский грунт на Землю для более детального анализа, чем это возможно на месте на поверхности Марса . Это должно позволить создавать еще более точные симуляторы. Первая из этих миссий представляет собой миссию, состоящую из нескольких частей, начиная с спускаемого аппарата «Марс 2020» . Это позволит 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 )