Впервые в атмосфере Марса прямыми измерениями обнаружен хлороводород. Открытие сделал российский спектрометр ACS на борту космического аппарата TGO российско-европейского проекта «ЭкзоМарс». Хлороводород появился в атмосфере во время глобальной пылевой бури и постепенно исчез после её окончания.

Это открытие заставляет пересмотреть модели химических реакций, связанных со взаимодействием поверхности и атмосферы Марса. Статья с результатами работы опубликована в журнале Science Advances 10 февраля 2021 г. В том же номере журнала опубликована статья по данным бельгийского спектрометрического комплекса NOMAD, также на борту TGO, который исследовал водяной пар в марсианской атмосфере. Обе работы подтверждают, что на Марсе по-прежнему есть много интересных задач для физиков и химиков.

Хлороводород, HCl, был известен в атмосферах, как минимум, на двух планетах Солнечной системы: Земле и Венере. На Земле он попадает в воздух из моря, когда частицы морских солей превращаются в аэрозоль. После взаимодействия с водой высвобождается хлор, который затем реагирует с водородсодержащими соединениями и образует хлороводород. Далее с хлороводородом хорошо реагируют озон и гидроксильные радикалы, поэтому от его количества частично зависит окислительная способность нашей атмосферы, а также — процессы сезонного «утончения» озонового слоя на полюсах.

На Венере хлороводород — основной «поставщик» хлора в атмосферу, где он распадается под действием солнечного света и становится одним из главных факторов, обеспечивающих стабильность углекислотной атмосферы.

Предполагалось, что хлороводород существует и на Марсе, но экспериментально его обнаружить не удавалось. С учетом возможностей имевшихся инструментов был сделан вывод, что молекул HCl в марсианской атмосфере очень мало — 0,2–0,3 частица на миллиард в единице объема (parts per billion volume, ppbv).

Столь малые концентрации называют «следовыми» (по-английски «trace»). Чтобы обнаружить такие малые составляющие атмосферы, в ИКИ РАН был создан спектрометрический комплекс ACS (Atmospheric Chemistry Suite) для российско-европейского проекта «ЭкзоМарс». ACS включает три инфракрасных спектрометра, обладающих очень высокими чувствительностью и спектральным разрешением.

TGO — марсианский зонд, часть проекта «ЭкзоМарс». Его название — аббревиатура от Trace Gas Orbiter, «орбитальный аппарат для изучения малых газовых составляющих». Как следует из имени, одна из основных задач TGO — поиск газов, которые могли бы свидетельствовать о вулканической и, возможно, биологической активности на Марсе. Их концентрация должна быть очень мала, именно поэтому от приборов на борту требуется рекордная чувствительность. Второй, кроме ACS, прибор на борту TGO, нацеленный на решение той же задачи, — бельгийский спектрометрический комплекс NOMAD.

С момента начала работы в 2018 г. ACS наблюдал многие известные газы марсианской атмосферы, а также их неизвестные «разновидности» — изотопологи. Возможно, кто-то уже потерял надежду обнаружить на Марсе что-то новое, но постоянные наблюдения принесли долгожданный результат — в марсианской атмосфере впервые обнаружен хлороводород. При этом благодаря методу работы «на просвет» атмосферы, ACS смог не только детектировать сам факт наличия HCl, но и определить его концентрацию в зависимости от высоты.

Линии поглощения хлороводорода в атмосфере Марса. Пример спектра, полученного спектрометрическом комплексом ACS на борту КА TGO (миссия «ЭкзоМарс-2016», Роскосмос/ЕКА). Наблюдания проводились в режимы солнечных затмений, при котором прибор регистрирует свет Солнца, проходящего через атмосферу Марса. Различные вещества в атмосфере поглощают солнечный свет по-разному, в результате в спектре видны характерные «провалы» — линии поглощения атомов или молекул. Положение линий поглощения хлороводорода показано пунктиром; наразных  спектрах показаны наблюдения, проведенные на разной высоте от поверхности (с) Korablev et al (2021)

Измерения проводились с апреля 2018 по март 2020 г. (за это время прошло немногим больше одного марсианского года). Хлороводород в атмосфере Марса был впервые зарегистрирован после осеннего равноденствия в северном полушарии, когда начиналась глобальная пылевая буря, за которой последовала вторая, меньших масштабов. Всё это время в атмосфере Марса было сравнительно много пыли, которая поднималась до 30–50 км над поверхностью. Пыль хорошо нагревается, поэтому нагревает и атмосферу, заставляя её расширяться и усиливая циркуляцию. При этом, однако, становится трудно наблюдать, хотя в полярных широтах атмосфера остается сравнительно чистой.

«Мы начали регистрировать хлороводород в северном и южном полушариях только после начала глобальной пылевой бури, — говорит член-корреспондент РАН Олег Кораблёв, первый автор статьи, научный руководитель эксперимента АЦС и заместитель директора ИКИ РАН. — Скорее всего, он уже был в атмосфере, и его постепенно «разносила» атмосферная циркуляция. Позже, во время спада глобальной бури, мы также наблюдали HCl, в том числе в средних широтах».

После окончания второй, локальной пылевой бури ACS постепенно переставал детектировать хлороводород, так что к концу периода, о котором говорится в статье, его удавалось обнаружить лишь в единичных случаях. Таким образом, период, когда хлороводород удавалось найти, соответствует прохождению перигелия — ближайшей к Солнцу точки орбиты и «пылевому» сезону на Марсе

Концентрация хлороводорода колебалась от 1 до 4 ppbv, максимально высокой она была на высотах 20–30 в южном полушарии. Наблюдения российского прибора подтвердил бельгийский NOMAD.

Хлороводород на Марс в течение марсианского года по данным спектрометрического комплекса ACS на борту КА TGO (миссия «ЭкзоМарс-2016», Роскосмос/ЕКА). По горизонтали указано положение Марса на орбите (солнечная долгота), которое соответствует сезону; по вертикали — широта. Кружками обозначены результаты ACS, ромбами — NOMAD. Цвет кружков и ромбов соответствует количество HCl в атмосфере (шкала справа, ppbv). Градациями коричневого цвета показана интенсивность глобальной пылевой бури (с) Korablev et al (2021)

Тот факт, что хлороводород не всегда присутствует в атмосфере, заставляет пересмотреть представления о химических процессах на Марсе. Исследователям предстоит ответить на два вопроса: откуда берется хлороводород и куда он уходит.

«Это первый случай регистрации галогенового газа в атмосфере Марса, и он — свидетель совершенно нового химического цикла, который нам предстоит понять», — поясняет Кевин Олсен (Kevin Olsen), профессор университета Оксфорда (Великобритания), один из ведущих авторов статьи.

Две основные гипотезы о том, что служит источником хлороводорода — частицы пыли, поднятой с поверхности, или активный вулканизм. Известно, что малое количество хлороводорода высвобождается во время извержений на Земле. Но в таком случае «всплески» концентрации этого вещества должны были бы соответствовать сейсмическим событиям на Марсе, однако пока не обнаружено корреляции с данными посадочного аппарата InSight (NASA), который наблюдает сейсмическую активность Марса. Кроме этого, хорошее совпадение по времени с началом и окончанием пылевых бурь заставляет предположить, что источник хлора всё-таки «лежит на поверхности».

Сам механизм «превращения» хлора из составной части марсианских минералов в газообразный хлороводород пока непонятен. Так же, как и ответ на вопрос, куда исчезает хлороводород после пылевой бури.

«Тот факт, что хлор был зарегистрирован во время пылевой бури, — уточняет Олег Кораблев, — дает возможность предположить существование взаимодействия между поверхностью и атмосферой, который не учитывался ранее. Аналоги ему можно найти на Земле, некоторые косвенные подтверждения были найдены в лабораторных экспериментах».

Возможный цикл превращений хлора на Марсе (с) ESA

Наблюдения продолжаются и исследователи надеются, что они принесут данные для разгадки. Появление и исчезновение хлороводорода, который хорошо реагирует с молекулами воды и гидроксилом, скорее всего, повлияет и на другие процессы в марсианской атмосфере. Возможно, эффект проявится на высотах больше 30 км, где большая часть хлороводорода может распасться на составные части, и атомарный хлор начнёт эффективно взаимодействовать с озоном (нечто похожее процесс происходит и на Земле). С другой стороны, надо постараться проникнуть на малые высоты: возможно, именно там хлороводород исчезает в ходе каких-то химических реакций.

«Открытие хлороводорода, малой составляющей в атмосфере Марса, — веха в миссии TGO, — говорит Хокен Сведхем (Hakan Svedhem), научный руководитель ExoMars Trace Gas Orbiter в ЕКА. — Это первый новый вид газа после того, как в начале 2000-х появились свидетельства о существовании метана на Марсе. То открытие пробудило интерес к поиску других органических молекул, и в конце концов привело к появлению миссии TGO, для которой поиск новых газов — основная цель».

***

Проект «ЭкзоМарс» — совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства.

Проект реализуется в два этапа. Первая миссия была выведена в космоса в 2016 году. Она включала два космических аппарата. Первый орбитальный Trace Gas Orbiter (TGO) для наблюдений атмосферы и поверхности планеты с весны 2018 г. находится на рабочей орбите около Марса. Второй — посадочный модуль «Скиапарелли» (Schiaparelli) для отработки технологий посадки, его миссия завершилась нештатно.

Научные задачи миссии TGO — регистрация малых составляющих марсианской атмосферы, в том числе метана, картирование распространенности воды в верхнем слое грунты с высоким пространственным разрешением порядка десятков км, стереосъёмка поверхности. На аппарате установлены два прибора, созданные в России: спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suit, Комплекс для изучения химии атмосферы) и нейтронный телескоп высокого разрешения ФРЕНД (FREND, Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector). Также Россия предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон» с разгонным блоком «Бриз-М».

Второй этап проекта (запуск 2022 г.) предусматривает доставку на поверхность Марса российской посадочной платформы «Казачок» с европейским автоматическим марсоходом «Розалинд Франклин» (Rosalind Franklin) на борту. Россия предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М»

В рамках обоих этапов в России создаётся объединенный с ЕКА наземный научный комплекс проекта «ЭкзоМарс» для приёма, архивирования и обработки научной информации.

- Новости проекта «ЭкзоМарс»