La presencia reportada de metano en la atmósfera de Marte es de interés para muchos geólogos y astrobiólogos , [1] ya que el metano puede indicar la presencia de vida microbiana en Marte , o un proceso geoquímico como el vulcanismo o la actividad hidrotermal . [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Desde 2004, se han reportado trazas de metano (rango desde 60 ppbv hasta debajo del límite de detección (<0.05 ppbv)) en varias misiones y estudios de observación. [8] [9] [10] [11] [12] La fuente de metano en Marte y la explicación de la enorme discrepancia en las concentraciones de metano observadas aún se desconocen y están en estudio. [1] [13] Siempre que se detecta metano, se elimina rápidamente de la atmósfera mediante un proceso eficiente pero desconocido. [14]
Historial de detecciones
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El metano (CH 4 ) es químicamente inestable en la actual atmósfera oxidante de Marte. Se descompondría rápidamente debido a la radiación ultravioleta (UV) del Sol y las reacciones químicas con otros gases. Por lo tanto, una presencia persistente o episódica de metano en la atmósfera puede implicar la existencia de una fuente para reponer continuamente el gas.
La primera evidencia de metano en la atmósfera fue medida por el orbitador Mars Express de la ESA con un instrumento llamado Espectrómetro Planetario de Fourier . [15] En marzo de 2004, el equipo científico de Mars Express sugirió la presencia de metano en la atmósfera a una concentración de aproximadamente 10 ppbv. [16] [17] [18] [19] Esto fue confirmado poco después por tres equipos de telescopios terrestres, aunque se midieron grandes diferencias en las abundancias entre las observaciones tomadas en 2003 y 2006. Esta variabilidad espacial y temporal del gas sugiere que el metano estaba concentrado localmente y probablemente estacional. [20] Se estima que Marte debe producir 270 ton / año de metano. [21] [22]
En 2011, los científicos de la NASA informaron de una búsqueda exhaustiva utilizando espectroscopía infrarroja de alta resolución de observatorios terrestres de gran altitud (VLT, Keck-2, NASA-IRTF) para trazas de especies (incluido el metano) en Marte, derivando límites superiores sensibles para metano (<7 ppbv), etano (<0,2 ppbv), metanol (<19 ppbv) y otros ( H 2 CO , C 2 H 2 , C 2 H 4 , N 2 O, NH 3 , HCN, CH 3 Cl, HCl, HO 2 - todos los límites a niveles de ppbv). [23]
En agosto de 2012, el rover Curiosity aterrizó en Marte. Los instrumentos del rover son capaces de realizar mediciones precisas de abundancia, pero no se pueden utilizar para distinguir entre diferentes isotopólogos del metano y, por lo tanto, no pueden determinar si es de origen geofísico o biológico. [24] Sin embargo, Trace Gas Orbiter (TGO) puede medir estas proporciones y señalar su origen. [15]
Las primeras mediciones con curiosidad 's láser sintonizable Espectrómetro (TLS) en 2012 indicaron que no había metano -OR menos de 5 ppb- en el sitio de aterrizaje , [25] [26] [27] más tarde calcularon a una línea de base de 0,3 a 0,7 ppbv. [28] En 2013, los científicos de la NASA nuevamente informaron que no se había detectado metano más allá de una línea de base. [29] [30] [31] Pero en 2014, la NASA informó que el rover Curiosity detectó un aumento de diez veces ('pico') en el metano en la atmósfera a su alrededor a finales de 2013 y principios de 2014. [10] Cuatro mediciones tomadas en dos meses en este período promedió 7.2 ppbv, lo que implica que Marte está produciendo o liberando metano episódicamente de una fuente desconocida. [10] Antes y después de eso, las lecturas promediaron alrededor de una décima parte de ese nivel. [32] [33] [10] El 7 de junio de 2018, la NASA anunció la confirmación de una variación estacional cíclica en el nivel de fondo de metano atmosférico. [34] [35] [36] La mayor concentración de metano detectada in situ por el rover Curiosity muestra un aumento a 21 ppbv, durante un evento a fines de junio de 2019. [37] [38] El orbitador Mars Express estaba funcionando seguimiento puntual en esa área 20 horas antes de la detección de metano de Curiosity , así como 24 y 48 horas después de la detección, [15] y el TGO estaba realizando observaciones atmosféricas aproximadamente al mismo tiempo pero en una latitud más alta. [15]
La misión Indian Mars Orbiter , que entró en órbita alrededor de Marte el 24 de septiembre de 2014, está equipada con un interferómetro Fabry-Pérot para medir el metano atmosférico, pero después de entrar en la órbita de Marte se determinó que no era capaz de detectar metano, [39] [ 40] : 57 por lo que el instrumento se reutilizó como un mapeador de albedo . [39] [41] En abril de 2019, el TGO mostró que la concentración de metano está por debajo del nivel detectable (<0.05 ppbv). [12] [19]
El rover Perseverance (aterrizó en febrero de 2021) y el rover Rosalind Franklin (previsto para 2023) no estarán equipados para analizar el metano atmosférico ni sus isótopos, [42] [43] por lo que la misión de retorno de muestras a Marte propuesta a mediados de la década de 2030 parece lo antes posible que se pueda analizar una muestra para diferenciar un origen geológico del biológico. [43]
Fuentes potenciales
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Geofísico
Los principales candidatos para el origen del metano de Marte incluyen procesos no biológicos como reacciones agua- roca, radiólisis del agua y formación de pirita , todos los cuales producen H 2 que luego podría generar metano y otros hidrocarburos a través de la síntesis de Fischer-Tropsch con CO y CO 2 . [44] También se ha demostrado que el metano podría producirse mediante un proceso que involucra agua, dióxido de carbono y el mineral olivino , que se sabe que es común en Marte. [45] Las condiciones requeridas para esta reacción (es decir, alta temperatura y presión) no existen en la superficie pero pueden existir dentro de la corteza. [46] [47] La detección del subproducto mineral serpentinita sugeriría que este proceso está ocurriendo. Un análogo en la Tierra sugiere que la producción a baja temperatura y la exhalación de metano de rocas serpentinizadas pueden ser posibles en Marte. [48] Otra posible fuente geofísica podría ser el metano antiguo atrapado en hidratos de clatrato que pueden liberarse ocasionalmente. [49] Bajo el supuesto de un ambiente frío de Marte temprano, una criosfera podría atrapar metano como clatratos en una forma estable en profundidad, que podría exhibir una liberación esporádica. [50]
En la Tierra moderna, el vulcanismo es una fuente menor de emisión de metano, [51] y generalmente va acompañado de gases de dióxido de azufre. Sin embargo, varios estudios de gases traza en la atmósfera marciana no han encontrado evidencia de dióxido de azufre en la atmósfera marciana, lo que hace que el vulcanismo en Marte sea poco probable que sea la fuente de metano. [52] [53] Aunque las fuentes geológicas de metano como la serpentinización son posibles, la falta de vulcanismo actual , actividad hidrotermal o puntos calientes [54] no son favorables para el metano geológico.
También se había propuesto que el metano podría reponerse mediante meteoritos que ingresen a la atmósfera de Marte, [55] pero investigadores del Imperial College de Londres encontraron que los volúmenes de metano liberados de esta manera son demasiado bajos para sostener los niveles medidos del gas. [56] Se ha sugerido que el metano fue producido por reacciones químicas en meteoritos, impulsadas por el intenso calor durante la entrada a la atmósfera. Aunque la investigación publicada en diciembre de 2009 descartó esta posibilidad, [57] la investigación publicada en 2012 sugiere que una fuente puede ser compuestos orgánicos en meteoritos que se convierten en metano por radiación ultravioleta . [58]
Las pruebas de laboratorio demostraron que se pueden producir explosiones de metano cuando una descarga eléctrica interactúa con el hielo de agua y el CO 2 . [59] [60] Las descargas de la electrificación de partículas de polvo de tormentas de arena y remolinos de polvo en contacto con el hielo del permafrost pueden producir alrededor de 1,41 × 10 16 moléculas de metano por julio de energía aplicada. [59]
Los modelos fotoquímicos actuales no pueden explicar la aparente rápida variabilidad de los niveles de metano en Marte. [61] [62] La investigación sugiere que la vida útil implícita de destrucción del metano es tan larga como ≈ 4 años terrestres y tan corta como ≈ 0,6 años terrestres. [63] [64] Esta inexplicable tasa de destrucción rápida también sugiere una fuente de reposición muy activa. [65] Un equipo del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica sospecha que el metano detectado por el rover Curiosity puede haber sido liberado de un área cercana llamada Formación Medusae Fossae ubicada a unos 500 km al este del cráter Gale. La región está fracturada y probablemente sea de origen volcánico. [66]
Biogénico
Los microorganismos vivos , como los metanógenos , son otra posible fuente, pero no se ha encontrado evidencia de la presencia de tales organismos en Marte. En los océanos de la Tierra, la producción biológica de metano tiende a ir acompañada de etano ( C
2H
6). La observación espectroscópica terrestre a largo plazo no encontró estas especies orgánicas en la atmósfera marciana. [23] Dada la larga vida esperada para algunas de estas especies, la emisión de compuestos orgánicos biogénicos parece ser extremadamente rara o inexistente en la actualidad. [23]
La reducción de dióxido de carbono en metano en presencia de hidrógeno se puede expresar de la siguiente manera:
- (∆G˚ '= -134 kJ / mol CH 4 )
Parte del CO 2 reacciona con el hidrógeno para producir metano, que crea un gradiente electroquímico a través de la membrana celular , que se utiliza para generar ATP a través de la quimiosmosis . Por el contrario, las plantas y las algas utilizan el agua como agente reductor .
Medir la proporción de los niveles de hidrógeno y metano en Marte puede ayudar a determinar la probabilidad de vida en Marte . [67] [68] [69] Una relación H 2 / CH 4 baja en la atmósfera (menos de aproximadamente 40) puede indicar que una gran parte del metano atmosférico podría atribuirse a actividades biológicas, [67] pero las relaciones observadas en la atmósfera marciana inferior era "aproximadamente 10 veces" más alta ", lo que sugiere que los procesos biológicos pueden no ser responsables del CH 4 observado ". [67]
Desde el descubrimiento de metano en la atmósfera en 2003, algunos científicos han estado diseñando modelos y experimentos in vitro que prueban el crecimiento de bacterias metanogénicas en suelo marciano simulado, donde las cuatro cepas de metano probadas produjeron niveles sustanciales de metano, incluso en presencia de 1.0 wt % sal de perclorato . [70] Los metanógenos no requieren oxígeno ni nutrientes orgánicos, no son fotosintéticos, usan hidrógeno como fuente de energía y dióxido de carbono (CO 2 ) como fuente de carbono, por lo que podrían existir en ambientes subterráneos en Marte. [71] Si la vida marciana microscópica está produciendo el metano, probablemente resida muy por debajo de la superficie, donde todavía está lo suficientemente caliente como para que exista agua líquida . [72]
Una investigación de la Universidad de Arkansas publicada en 2015 sugirió que algunos metanógenos podrían sobrevivir en la baja presión de Marte de manera similar a un acuífero líquido subsuperficial en Marte. Las cuatro especies probadas fueron Methanothermobacter wolfeii , Methanosarcina barkeri , Methanobacterium formicicum y Methanococcus maripaludis . [71]
Un equipo dirigido por Gilbert Levin sugirió que ambos fenómenos, la producción y la degradación del metano, podrían explicarse por una ecología de microorganismos productores y consumidores de metano. [4] [73]
Incluso si las misiones del rover determinan que la vida marciana microscópica es la fuente estacional del metano, las formas de vida probablemente residen muy por debajo de la superficie, fuera del alcance del rover. [74]
Sumideros potenciales
Inicialmente se pensó que el metano es químicamente inestable en una atmósfera oxidante con radiación ultravioleta, por lo que su vida útil en la atmósfera marciana debería ser de unos 400 años, [13] pero en 2014, se concluyó que los fuertes sumideros de metano no están sujetos a la atmósfera. oxidación, lo que sugiere un proceso físico-químico eficiente en la superficie que "consume" metano, genéricamente llamado "sumidero". [75] [76]
Una hipótesis postula que el metano no se consume en absoluto, sino que se condensa y se evapora estacionalmente a partir de clatratos . [77] Otra hipótesis es que el metano reacciona con la arena de cuarzo (dióxido de silicio SiO
2) y olivino para formar Si - CH covalente
3cautiverio. [78] Los investigadores demostraron que estos sólidos se pueden oxidar y los gases se ionizan durante los procesos de erosión. Por lo tanto, el metano ionizado reacciona con las superficies minerales y se adhiere a ellas. [79] [80]
Imagenes
Gases volátiles en Marte.
Mediciones de metano en la atmósfera de Marte por el rover Curiosity .
Ver también
- Atmósfera de Marte
- Clima de Marte
- Vida en Marte
- El tiempo de Marte
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