De verdwijntruc van methaangas op Mars
Wat voorafging
Zo'n vijftien jaar geleden heeft men ontdekt dat de atmosfeer op Mars methaan (CH4) bevat. Opwinding en verwondering alom! Want methaan betekent onder meer een signatuur van biologische activiteit. Denken we maar op Aarde aan methaangas gevormd bij moerassen en als reactieproduct bij anaerobe gistingsprocessen. Het gas is het eindproduct van een reeks microbiologische omzettingen en bijgevolg een mogelijke tracer van leven.
De eerste metingen van methaan op Mars zijn afkomstig uit de enorme Galekrater met een diameter van 154 km. Sommige onderzoekers gingen er van uit dat een eeuwenoud meer onder de krater schuilgaat, en dat deze de bron zou zijn van het gedetecteerde gas. Immers, op Aarde zijn er organismen die onder de grond zonder zuurstof overleven en methaan afgeven tijdens hun verval. Ook zijn er microben bekend die methaan produceren. Maar misschien is de methaan uit de krater wel van geologische oorsprong? Dat is immers ook een mogelijkheid…
#/media/Bestand:Topographic_Map_of_Gale_Crater.jpg){kind=link}
Er is echter meer. De metingen vertonen grote fluctuaties, die niet onmiddellijk te verklaren zijn. Zo heeft de Curiosity Marsrover pieken van 21 ppb methaan geregistreerd. En enkele dagen later werd een terugval gemeten van 0,7 ppb. Voor alle duidelijkheid: ppb is een volumedeeltje per miljard. Ter vergelijking: in orde van grootte is op Aarde de gemiddelde methaanconcentratie in de lucht zowat 1.850 ppb. Op de rode planeet spelen er zich blijkbaar processen af waarbij er zowel methaan in de atmosfeer wordt gebracht als er methaan uit de atmosfeer wordt gehaald. Maar wat gebeurt er hier precies?
Onzekerheid
“Met onze huidige metingen kunnen we niet concluderen of de methaan afkomstig is van biologische of geologische processen.” aldus Paul Mahaffy, planetenonderzoeker bij NASA. Hij voegt er aan toe dat uit de metingen ook niet kan worden opgemaakt of het om ‘oud’ of ‘nieuw’ methaan gaat. Nieuw methaan is methaan dat heel recent – hetzij door geologische of biologische processen – is ontstaan. En oud methaan is methaan dat lang geleden door geologische of biologische processen ondergronds is gegenereerd en nu pas is vrijgekomen.
Nieuwe metingen en een grondiger analyse van oude metingen zullen misschien licht werpen op dit enigma. Door metingen van verschillende instrumenten (zoals bijvoorbeeld aangeleverd door de Curiosity Marsrover en de ExoMars Trace Gas Orbiter) naast elkaar te leggen, hopen de onderzoekers een klaarder zicht te krijgen op de methaanbronnen en mogelijks in te schatten hoe de processen in de atmosfeer van Mars verlopen.
Een mogelijke verklaring voor de verdwijntruc van methaan op Mars
Onderzoekers verbonden aan de universiteit van Aarhus in Denemarken hebben onlangs een artikel gepubliceerd, waarin een mechanisme wordt beschreven dat uitlegt hoe methaan uit de atmosfeer van Mars zou kunnen verdwijnen.
Erosie en chemie
Een multidisciplinair team van wetenschappers onderzoekt er al jaren de rol van winderosie op mineraal houdend gesteente. Als gevolg van deze erosie worden de mineralen gemakkelijker blootgesteld aan externe agentia in de atmosfeer van Mars. Voor dit onderzoek heeft deze groep wetenschappers apparatuur en methodes ontwikkeld om de erosie op Mars in hun laboratorium in Aarhus (Mars Simulation Laboratory) na te bootsen.
Bij hun onderzoek gebruikten ze mineralen die ook werden gedetecteerd in de gesteenten op Mars, zoals basalt (een stollingsgesteente) en plagioklazen. Deze laatste zijn een soort veldspaat (Na-, Ca-, Al-silicaten). Proeven hiermee hebben aangetoond dat, als je ze blootstelt aan erosie, deze mineralen in hun vaste toestand kunnen oxideren en dat de gassen eromheen worden geïoniseerd. Aldus zal de geïoniseerde methaan reageren aan het oppervlak van het gesteente: het koolstofatoom van de methaan bindt zich rechtstreeks aan het siliciumatoom van de plagioklazen. En nu zijn het juist deze laatste die veel blijken voor te komen op het oppervlak van Mars.
Winderosie nagebootst
In het Mars Simulation Laboratory aan de universiteit van Aarhus heeft men een kwartsampul deels gevuld met korreltjes olivijn basalt (dit is een Mg-, Fe-silicaat) onder een kunstmatige Marsatmosfeer. Door de ampul te schudden, is men erin geslaagd de korte ‘sprongetjes’ te simuleren die de korrels maken ten gevolge van de wind. De aldus ontstane wrijving tussen de deeltjes onderling genereert elektrische ladingen. Het gele sterretje illustreert dat een Argonatoom een elektron heeft verloren. Deze ladingen veroorzaken een zwakke gloed, zoals op de vier beelden hieronder is te zien.
Een tipje van de sluier gelicht?
Wat de onderzoekers hebben vastgesteld in het laboratorium zou een verklaring kunnen zijn voor het feit dat de resultaten van de metingen van methaan op Mars zo snel kunnen dalen. Het beschreven mechanisme verloopt sneller en doeltreffender dan enig fotochemisch proces (zoals bij blootstelling aan uv-stralen). De gemeten terugval van de concentraties methaan op Mars klopt met dit model en op deze manier zou het gas uit de atmosfeer verdwijnen en worden opgenomen aan het bodemoppervlak van de rode planeet.
Een teken van leven?
Hetzelfde team wetenschappers heeft daarnaast ook vastgesteld dat aan de buitenkant van gesteenten ook vrij reactieve moleculen kunnen worden gevormd, zoals waterstofperoxide (H2O2) en zuurstofradicalen (O·). Een radicaal in de chemie is een molecule of een atoom met minstens één ongepaard elektron. Deze stoffen zijn erg reactief en giftig voor levende organismen zoals bacteriën.
De resultaten van deze groep onderzoekers betekenen een belangrijke bijdrage aan de zoektocht naar mogelijk levende organismen op of in de buurt van het oppervlak van de planeet. Het is de bedoeling van het team om in verdere studies, aansluitend op deze bevindingen, na te gaan wat er gebeurt met de methaan die gebonden werd aan het oppervlak van mineralen via de eerder geciteerde koolstof-siliciumbindingen.
Voorlopige conclusies en nog veel werk
Ook het mechanisme van winderosie zal nader worden onderzocht, meer bepaald in hoeverre deze wordt beïnvloed door de chemisch gebonden oppervlakken methaan-mineraal. Of zou dergelijk proces in staat zijn om meer complexe organische moleculen te binden en deze zo onzichtbaar te maken voor detectie? Dergelijk organisch materiaal zou kunnen ontstaan zijn hetzij op de planeet zelf, hetzij aangevoerd van elders door meteorieten.
Dit onderzoek zal alleszins een impact hebben op onze kennis van hoe organisch materiaal op Mars zou kunnen 'overleven'. Deze studie betekent een belangrijke bijdrage aan de wetenschap van wat er zich allemaal afspeelt aan het oppervlak van Mars. En wellicht is deze benadering de aanloop naar meer inzicht en kennis van leven op een andere planeet dan de Aarde.
Op dit ogenblik zijn er echter nog veel onzekerheden en is het veelal koffiedik kijken. Dus nog veel werk aan de winkel!
Vol verwachting wordt dan ook uitgekeken naar de volgende ExoMars-rover. ESA hoopt op een succesvolle landing op de rode planeet in 2021. Duimen maar…
Enkele bronnen van inspiratie
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/au-mvo070219.php
https://projects.au.dk/marslab/
Tekst: Herman Schoups, december 2019
