Wo ist die verlorene Atmosphäre des Mars geblieben? Die neueste Entdeckung ist, dass es auf dem Mars "versteckt" sein könnte

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Earth's Gravity

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die Grenzen des Wissens zu erweitern, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Unbekanntes Gebiet“ gestartet, die einen Überblick über die Erkundungsergebnisse bietet, die die Grenzen im Weltraum, in der Tiefsee, in der Tiefsee und in anderen Bereichen durchbrochen haben. Begeben wir uns auf eine wissenschaftliche Entdeckungsreise und lernen wir die erstaunliche Welt kennen.

Nach unserem heutigen Verständnis ist der Mars ein roter, trostloser Planet.

Da unsere Forschungen zum Mars in den letzten Jahren jedoch immer intensiver wurden, haben Wissenschaftler erkannt, dass der Mars einst ein Planet war , auf dem es viel flüssiges Wasser gab . Darüber hinaus ist der Anteil an flüssigem Wasser extrem hoch, sodass auf der Oberfläche des Mars nicht nur riesige Flüsse entstehen, sondern sogar ein riesiger Ozean. **Was den Beweis für dieses flüssige Wasser betrifft, können normale Menschen wie wir ihn direkt auf den vom Marsrover zurückgesendeten Fotos sehen.

Überreste von Flüssen auf dem Mars

(Bildnachweis: NASA)

Flussdeltas auf dem Mars

(Bildnachweis: NASA)

Was bedeutet die Entdeckung, dass der Mars einst reich an flüssigem Wasser war?

Da auf der Marsoberfläche flüssiges Wasser existieren kann, bedeutet dies, dass die Temperatur auf dem Mars zu dieser Zeit relativ warm gewesen sein muss, sonst wäre das flüssige Wasser schon vor langer Zeit zu einer Eisschale gefroren! Eine weitere Begründung: Damit die Oberflächentemperatur des Mars geeignet ist, muss die Marsatmosphäre ähnlich dicht und warm gewesen sein wie die der heutigen Erde .

Aufgrund wissenschaftlicher Beobachtungen spekulieren Geologen, dass die Kohlendioxidkonzentration auf dem Mars zu dieser Zeit zwischen 0,25 und 4 Bar lag (Bar, 1 Bar entspricht ungefähr einer Atmosphäre, was dem normalen Luftdruck auf unserer Oberfläche entspricht). Derzeit beträgt die Kohlendioxidkonzentration auf dem Mars nur 0,054 bar. Dies zeigt, dass es auf dem Mars einst zu einem enormen Gasverlust kam.

Die dünne Atmosphäre auf dem Mars

(Bildnachweis: NASA)

Wo ist die riesige Gasmenge auf dem Mars geblieben?

Wissenschaftler gehen davon aus, dass der Rückgang des Kohlendioxidgehalts auf dem Mars vor etwa 3,5 Milliarden Jahren stattfand. Zu dieser Zeit begann auch das Wasser auf dem Mars rapide zu verschwinden.

Aber warum ist das Kohlendioxid vom Mars verschwunden?

Frühere Theorien gingen davon aus, dass dies durch den Sonnenwind verursacht werden könnte, der die Atmosphäre auf dem Mars ständig abträgt. Doch einer aktuellen Studie zufolge haben Wissenschaftler anhand von Überwachungsdaten zum atmosphärischen Verlust des Mars zwischen 2007 und 2017 berechnet und herausgefunden, dass der Sonnenwind in den vergangenen vier Milliarden Jahren nur maximal 9 Millibar Atmosphäre wegtragen konnte – das sind zwei Größenordnungen weniger als der tatsächliche Atmosphärenverlust auf dem Mars.

Daher bleibt das Verschwinden von Kohlendioxid auf dem Mars ein Rätsel.

Nun haben zwei Geologen des MIT eine mögliche Antwort vorgeschlagen: Das fehlende Kohlendioxid des Mars könnte in Lehmschichten auf der Oberfläche des Planeten eingeschlossen sein.

Die Entwicklung von flüssigem Wasser auf dem Mars. Die Zahlen 4,0, 3,8 usw. stehen für 4 Milliarden Jahre, 3,8 Milliarden Jahre usw.

(Bildnachweis: NASA)

Kohlendioxid binden, um Methan zu erzeugen, ähnliche Entdeckungen wurden auch auf der Erde gemacht

Diese Aussage mag kontraintuitiv klingen, aber Geologen haben tatsächlich einen ähnlichen Prozess auf der Erde entdeckt: Kohlendioxid reagiert chemisch mit bestimmten Gesteinen und bildet Methan .

Obwohl es allgemein bekannt ist, ist Methan eng mit biologischen Prozessen verbunden. Es wird entweder direkt im Körper eines Organismus gebildet oder nach dem Tod des Organismus wird seine organische Substanz vergraben und dann durch mikrobielle Verdauung in einer anaeroben Umgebung produziert. Daher ist das durch den letztgenannten Faktor gebildete Methan häufig der Hauptbestandteil von Erdgas.

Globale Methanerzeugungsquellen und Reduktionsfaktoren im Jahr 2017, mit Quellen links und Reduktionsfaktoren rechts

(Bildquelle: Wikipedia)

Allerdings haben Geologen neben dem Methan aus den oben genannten Quellen schon vor langer Zeit große Mengen Methan in präkambrischen nicht-sedimentären Schichten in Südafrika, Kanada und Finnland entdeckt.

Der Grund, warum wir nicht-sedimentäre Schichten betonen, liegt darin, dass die fossilen Brennstoffe wie Öl und Erdgas, die wir bisher entdeckt haben, nach dem Tod von Organismen alle auf dem Grund des Sees abgelagert werden. Daher werden die durch Sedimente gebildeten Gesteine ​​als Sedimentgesteine ​​bezeichnet. Nichtsedimentäre Schichten beziehen sich auf Schichten, die durch magmatische Aktivität oder Metamorphose magmatischer Gesteine ​​gebildet werden (d. h. den Prozess der Gesteinsveränderung durch hohe Temperaturen und hohen Druck). Offensichtlich gibt es in diesen Schichten praktisch keine Lebewesen.

Der Grund für die Betonung des Präkambriums liegt darin, dass in der Zeit vor dem Kambrium (vor etwa 540 Millionen Jahren) das Leben auf der Erde relativ selten war und hauptsächlich aus winzigen Algen und Bakterien bestand.

Daher sind die großen Mengen an Methan, die in präkambrischen nicht-sedimentären Schichten gefunden wurden, eindeutig nicht biogenen Ursprungs.

Es hat nichts mit Lebewesen zu tun. Wie entsteht also dieses Methan?

Geologen erforschen seit langem die Entstehung dieses Methans. Die Ergebnisse zeigten, dass es sich bei den Gesteinsformationen, in denen große Mengen Methan gefunden wurden, im Wesentlichen um ultramafische Gesteinsformationen handelte. Als ultramafisch gelten Gesteine, die große Mengen an Magnesium- und Eisenbestandteilen enthalten (Olivin ist eines der typischsten Mineralien), und das Magma, aus dem diese Gesteine ​​entstehen, stammt aus dem Erdmantel.

Nachdem die Gesteinsschichten gebildet wurden, erreichen sie aufgrund der Plattenbewegung den Mittelozeanischen Rücken, die Subduktionszone und andere Bereiche. Diese Gebiete sind reich an Wasser und die Temperatur ist nicht besonders hoch (0–600 °C), sodass die Gesteine ​​einer Metamorphose unterliegen. Sie bilden Serpentin durch eine Reihe chemischer Reaktionen, die als Serpentinisierung bekannt sind. Dabei reagieren im Gestein enthaltene Eisenverbindungen mit Wasser zu Wasserstoff.

Olivin ist nicht nur ein Edelstein, sondern auch eines der wichtigen Mineralien, aus denen ultramafisches Gestein besteht. Seine grüne Farbe kommt von dem darin enthaltenen Eisen.

(Bildquelle: Wikipedia)

Eine mögliche Reaktion zur Bildung von Wasserstoff

Sobald Wasserstoff gebildet ist, kann er über die Sabatier-Reaktion in Methan umgewandelt werden. Die Sabatier-Reaktion wurde 1897 vom französischen Chemiker Paul Sabatier und anderen entdeckt. Bei einer Temperatur von 300–400 °C und unter hohem Druck reagieren Wasserstoff und Kohlendioxid durch einen Nickelkatalysator zu Methan und Wasser. Durch die Zugabe eines Katalysators wie Aluminiumoxid wird die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich beschleunigt. Auf Grundlage dieser Analyse gehen einige Geologen davon aus, dass die in der Tiefe entstehende Methanmenge ebenso groß ist wie die durch biologische Ursachen entstandene.

Chemische Gleichung für die Sabatier-Reaktion

Wissenschaftler vermuten, dass Marslehm die gleiche Rolle spielt

Durch die Erforschung des Mars haben Wissenschaftler entdeckt, dass es auf dem Mars auch eine große Anzahl olivinreicher Gesteine ​​gibt. Wenn diese Gesteine ​​eine Serpentinisierung erfahren, nehmen sie große Mengen Wasser und Kohlendioxid auf. Berechnungen zufolge würde sich der Kohlendioxidgehalt der Marsatmosphäre um etwa 5 Bar verringern, wenn sämtliche Gesteine ​​auf der Marsoberfläche in einer Tiefe von zwei Kilometern serpentinisiert würden, während gleichzeitig große Mengen Methan freigesetzt würden.

Ein großer Teil dieses Methans kann nach seiner Entstehung von dem auf dem Mars reichlich vorhandenen Ton absorbiert werden. Tone kommen auf der Erde in vielen verschiedenen Formen vor und bestehen aus einer großen Vielfalt an Mineralien. Beispielsweise ist das uns wohlbekannte Kaolinit ein Tonmineral. Darüber hinaus gibt es Montmorillonit, Chlorit, Dickit, Nakrit, Saponit usw. Untersuchungen zufolge sind 62 % der Tonmineralien auf dem Mars Montmorillonit und 23 % Chlorit.

Rasterelektronenmikroskop-Foto von Montmorillonit, das zeigt, dass es sich um ein schuppiges Mineral handelt

(Bildquelle: Wikipedia)

Die atomare Struktur des Montmorillonits, die große Anzahl von Lücken zwischen den Atomen, ist die Quelle seiner Adsorptionskraft

(Bildquelle: Wikipedia)

Montmorillonit entsteht durch die Verwitterung siliziumreicher Mineralien in magmatischen Gesteinen. Es handelt sich um ein schuppiges, sehr poröses Mineral, das wir uns wie einen Schwamm unter den Mineralien vorstellen können. Darüber hinaus hat die Forschung gezeigt, dass Montmorillonit sehr gute Adsorptionseigenschaften besitzt und die maximale Menge an Methan, die es adsorbieren kann, etwa 0,6 % seines Gewichts beträgt und damit andere Tonmineralien wie Illit oder Chlorit bei weitem übertrifft.

Da die Erforschung des Mars derzeit jedoch noch begrenzt ist, kennen die Wissenschaftler die Dicke der Tonschicht nicht und können nur Schätzungen und Berechnungen anstellen. Sie gehen davon aus, dass die durchschnittliche Äquivalentdicke von Montmorillonit auf dem Mars eher zwischen 117 und 1440 Metern liegt. Wenn die untere Grenze der Montmorillonitdicke 117 Meter beträgt, können diese Montmorillonite 0,07 Bar Kohlendioxid absorbieren, während sie bei einer oberen Grenze von 1440 Metern 1,7 Bar Kohlendioxid absorbieren können.

Modellierung der Methanbildung auf dem Mars und seiner Adsorption durch Ton

(Bildquelle: Referenz 1)

Basierend auf weiteren Untersuchungen an Kohlenstoffisotopen und Wasserstoffisotopen kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die ursprüngliche Atmosphäre des Mars etwa 0,4 bis 1,5 Bar Kohlendioxid enthielt , das in Tonmineralien absorbiert wurde.

In Zukunft wird erwartet, dass Methan auf dem Mars abgebaut und genutzt wird

Tatsächlich ist diese Forschung für unsere zukünftige Erkundung und Entwicklung des Mars von großer Bedeutung, denn sie bedeutet einerseits, dass wir wahrscheinlich in der Lage sein werden, fossile Brennstoffe (Methan) direkt vom Mars zu gewinnen und zu nutzen, ohne sie von der fernen Erde transportieren zu müssen . Wenn wir außerdem die Nachrichten von vor einigen Jahren berücksichtigen, in denen es um die Verwendung von Kohlendioxid durch chinesische Wissenschaftler zur Synthese von Stärke ging, könnten wir in Zukunft möglicherweise sogar Methan direkt als Energiequelle nutzen und das dünne Kohlendioxid in der Marsatmosphäre extrahieren, um auf dem Mars Nahrungsmittel herzustellen .

Darüber hinaus ist Methan ein Treibhausgas mit sehr starkem Treibhauseffekt. Über einen Zeitraum von 20 Jahren ist das Treibhauspotenzial (GWP) von Methan 83-mal so hoch wie das von Kohlendioxid. Das bedeutet, dass über einen Zeitraum von 20 Jahren eine Tonne Methan einen Treibhauseffekt verursacht, der dem von 83 Tonnen Kohlendioxid entspricht. Diese Fähigkeit des Methans ist auf der Erde natürlich äußerst gefährlich, auf dem Mars kann sie uns jedoch erheblich dabei helfen, den Fortschritt der Terraformung des Mars zu beschleunigen.

Quellen:

1.Murray J, Jagoutz O. Olivinveränderung und der Verlust von Kohlenstoff in der frühen Atmosphäre des Mars[J]. Science Advances, 2024, 10(39): eadm8443.