Российский спектрометрический комплекс ACS на борту марсианского орбитального аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» обнаружил, что в атмосфере Марса молекул угарного газа с «тяжелым» изотопом углерода меньше, чем с обыкновенным. Эта маленькая деталь, возможно, позволит распутать сложную цепочку фотохимических реакций на Марсе и прояснить многие моменты его истории, в том числе — происхождение органических вещества на его поверхности. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Astronomy.

В атмосфере Марса, по сравнению с Землей, в среднем больше тяжелых изотопов углерода и кислорода. Изотопы — «варианты» атомов химических элементов, которые различаются числом нейтронов. «Тяжелыми» считаются изотопы углерода 13C (относительно 12C) и кислорода 18O (относительно 16O).

Хотя обе планеты «при рождении» получили примерно одинаковый состав веществ, соотношение изотопов в котором было также примерно одинаковым, но потом более легкий Марс без магнитного поля начал терять атмосферу (и воду) значительно быстрее, чем Земля. При этом легкие изотопы улетучивались раньше, что и сделало Марс таким, какой мы исследуем сегодня.

Зная сегодняшний состав планеты, её грунта и атмосферы, можно попробовать проследить её историю назад во времени. Для этого надо хорошо представлять не только общую картину химических и физических процессов, которые происходят на Марсе, но и её детали. Изотопный состав и есть одна из таких деталей, которые могут рассказать о многом и в настоящем, и в прошлом планеты.

Российский эксперимент ACS на борту орбитального аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» предназначен для исследования «тонкой структуры» марсианской атмосферы. Инфракрасные спектрометры в составе ACS способны регистрировать вещества, концентрация которых не превышает нескольких частиц на миллиард, и при этом различать молекулы по изотопному составу.

В работе, опубликованной в журнале Nature Astronomy, исследователи из отдела физики планет ИКИ РАН совместно с коллегами из зарубежных научных организаций изучали изотопный состав CO в зависимости от высоты над поверхностью, а полученные данные сравнивали с модельными результатами, которые учитывают фотохимические реакции распада углекислоты и образования угарного газа.

Чтобы объяснить эту особенность, исследователи промоделировали «жизненный цикл» углерода с учетом изотопного состава.

В чем здесь сложность? Углерод — часть углекислого газа CO2, основной составляющей марсианской атмосферы, а также угарного газа CO, которого, напротив, мало, — не более 0,1%.

И углекислый газ CO2, и угарный газ CO распадаются под действием солнечного ультрафиолета (этот процесс называется фотодиссоциацией). Но при этом надо иметь в виду, что после того, как молекула углекислоты CO2 распалась на угарный газ и атом кислорода, эти вещества могут снова превратиться в углекислоту (рекомбинировать). Если рекомбинировать не удалось, то молекула угарного газа CO может распасться на углерод и кислород, Далее углерод может или уйти в космос, или вступить в реакцию с веществами на поверхности, превратившись в «связанный углерод».

Если бы все эти процессы шли равномерно, то изотопный состав, то есть показатель 13C/12С, был бы примерно одинаков и для углекислоты, и для угарного газа, и даже для поверхностной органики (хотя в последнем случае ситуация была бы сложнее). Но это не так.

В частности, солнечный ультрафиолет легче разбивает молекулы углекислоты, которые содержат изотоп 12C, чем молекулы с «тяжелым» 13C. Поэтому значение 13C/12C для углекислоты оказывается больше, чем для угарного газа: на 100 атомов 13C придётся уже на 84 атома 13С, а, например, 104.

И это не конец цикла. Угарный газ, через цепочку реакций, служит источником углерода, который улетучивается в космическое пространство (этот механизм лучше всего работает на высоте больше 150 км). Опять же, более эффективно Марс покидает именно легкий изотоп 12C, чем тяжелый 13C. Поэтому, если в этой схеме учесть новый механизм разделения по изотопам, то, возможно, Марс за всю свою историю потерял не так много углерода (читай, атмосферы), как предполагалось ранее.

С другой стороны, по данным Curiosity, в составе марсианского грунта также сравнительно мало «тяжелого»13С. Видимо, это отражение того же процесса: в реакции с веществами поверхности вступает именно угарный газ, в котором сравнительно мало 13C.

Как подчеркивают исследователи, будущие исследования изотопных соотношений важны для понимания не только современных фотохимических циклов на Марсе, но и его истории.

Источник: https://iki.cosmos.ru/news/skolko-ugleroda-13-pryachet-marsianskaya-atmosfera