|
Породы для подготовки к анализу образцов с Марса
|
|
|
|
Сказать, что путешествие с Земли на Марс - это просто долгое путешествие, было бы большим преуменьшением. 30 июля 2020 года, когда Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) отправило свой марсоход "Персеверанс" на ракете Atlas V на Красную планету для сбора образцов горных пород, марсоходу потребовалось почти семь месяцев, чтобы добраться до места назначения. Это был всего лишь один шаг в сложном процессе, который займет не менее десяти лет, чтобы доставить домой эти образцы с Марса. Несмотря на необычно долгое ожидание отправки образцов, у ученых остается достаточно времени, чтобы найти наилучший подход к изучению этих редких и драгоценных пород.
|
|
|
|
В рамках подготовки международное сотрудничество ученых приступило к исследованию образцов осадочных пород, найденных в Исландии, стране, рельеф которой имеет некоторые сходства по составу, а климат может быть схож с древним климатом в некоторых регионах Марса.
|
|
|
|
Их результаты, опубликованные в журнале American Mineralogist, проливают свет на то, как анализ этих сложных природных минералов с высоким разрешением может дать ученым более глубокое понимание их геологической истории как дома, на Земле, так и на расстоянии 194 миллионов миль, на Марсе, хотя это требует тщательной интерпретации.
|
|
|
|
В этом сотрудничестве участвуют исследователи из Мэрилендского университета, НАСА имени Годдарда, Космического центра Джонсона, Геттингенского университета, Национального университета Чунгбук и Национального синхротронного источника света II (NSLS-II), который является научным центром Министерства энергетики США в Брукхейвенской национальной лаборатории.
|
|
|
|
|
|
|
Камни из страны огня и льда
|
|
|
|
В последние годы регионы Исландии стали популярными аналогами Марса, поскольку сходство между ними продолжает проявляться. Основной тип горных пород в этих районах, вулканический базальт, был обнаружен в марсианских метеоритах и марсоходами Curiosity и Perseverance на поверхности планеты.
|
|
|
|
Наличие на Марсе отложений воды и льда свидетельствует о том, что когда-то здесь могли быть ледники, озера и реки. На каждой планете есть даже вулканические образования, которые имеют сходство друг с другом.
|
|
|
|
"Это потрясающая возможность", - сказал Майкл Торп, научный сотрудник Мэрилендского университета и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, который руководил исследованием.
|
|
|
|
"На Марсе мы исследуем минералы, которые сохраняют следы древней воды, но со временем также были погребены и спрессованы в горную породу. С другой стороны, на Земле в Исландии мы обнаруживаем очень молодые отложения, которые содержат похожие минералы, но еще не прошли через этот процесс породообразования. Это говорит о геологическом времени.
|
|
|
|
"Что произошло на Марсе, что позволило этим, как мы бы сказали, "ювенильным" минеральным фазам сохраниться в осадочных породах? Это произошло, когда планета лишилась воды? Было ли это просто потому, что там было очень холодно, как в Исландии? Или здесь действуют другие факторы? В этих марсианских камнях скрыты тайны, которые однажды попадут на Землю, и наша команда с нетерпением ждет возможности их разгадать".
|
|
|
|
Камни, за которыми охотились Торп и его команда, известны как глинистые породы, тип осадочных пород, состоящий из глиноподобных частиц, которые очень распространены как на Земле, так и среди того, что было найдено до сих пор на других скалистых телах нашей Солнечной системы, таких как Марс.
|
|
|
|
Эти образцы были сформированы из ледниково-речных отложений — осадочных материалов, таких как песок, гравий и глина, которые образуются в результате совместного воздействия ледников и рек. Когда ледники движутся и размывают крупные горные породы, они собирают их крошечные кусочки.
|
|
|
|
Затем, когда ледник тает или отступает, извлеченные отложения попадают в близлежащие речные системы. Исследователи взяли пробы с водораздела на юго-западе Исландии, где эти системы встречаются.
|
|
|
|
Несмотря на их распространенность, анализ этих мелкозернистых отложений является сложной задачей. Из-за их небольшого размера и сложной структуры для точной интерпретации необходимы анализы с высоким разрешением.
|
|
|
|
"По мере того, как мы готовимся к отправке этих драгоценных образцов с Марса, становится ясно, что нам необходимо найти передовые методы, которые позволили бы нам лучше понять, чего ожидать, когда они прибудут в наши лаборатории на Земле", - сказал Торп.
|
|
|
|
"Вот почему сотрудничество с NSLS-II было таким масштабным, и поэтому я надеюсь продолжить его разработку".
|
|
|
|
Лучше понимая осадочные процессы, которые привели к образованию этих пород, ученые могут получить более четкое представление о геологической истории планеты.
|
|
|
|
Предыдущие исследования, в ходе которых изучались образцы из того же места, не смогли полностью охарактеризовать осадочные породы с размером зерен менее четырех микрометров. Геологи часто называют эти крошечные частицы "размером с глину".
|
|
|
|
Целью данного исследования было выявить эти скрытые характеристики с помощью методов высокого разрешения, таких как просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), порошковая рентгеновская дифракция (РСА), измерение функции распределения пар рентгеновских лучей и анализ с помощью рентгенофлуоресцентной микроскопии.
|
|
Обычные материалы со сложными историями
|
|
|
|
На микроскопическом уровне горные породы и минералы имеют различную структуру. Атомы и молекулы, из которых состоят кристаллические материалы, расположены в строго определенном порядке, в результате чего получаются узнаваемые геометрические формы.
|
|
|
|
В отличие от этого, в природе существуют другие фазы, называемые аморфными материалами, в которых отсутствует такая организованная атомная упорядоченность на большие расстояния. Горные породы, состоящие из нескольких различных отложений, могут представлять серьезную проблему для ученых, которые пытаются их охарактеризовать.
|
|
|
|
Многие глинистые минералы могут иметь структуру, которую трудно проанализировать без использования методов с высоким разрешением. Именно здесь появляется функция парного распределения (PDF), полученная на NSLS-II.
|
|
|
|
"Когда мы начинали это сотрудничество, мы не представляли, насколько сложным будет этот анализ", - отметил Эрик Доорихи, бывший руководитель программы NSLS-II по жесткому рассеянию рентгеновских лучей и спектроскопии.
|
|
|
|
"Эти образцы представляют собой смеси высококристаллических материалов, других горных пород и минералов с более высокой степенью неупорядоченности и даже некоторых аморфных материалов. Смесь сигналов, исходящих от этих материалов с различной структурой, трудно поддается качественному анализу, например, путем измерения фракций каждого минерала, из которых состоит образец, и определения того, насколько они неупорядочены или кристаллически.
|
|
|
|
"Эти методы мы все еще пытаемся усовершенствовать, и именно поэтому мне нравятся такого рода исследования".
|
|
|
|
Задача определения характеристик отложений такого размера и структуры всегда была трудной для минералогов. Подобные исследования помогают усовершенствовать современные рентгеновские методы и открывают путь для новых инструментов для дальнейшего анализа этих типов материалов как здесь, на Земле, так и за ее пределами.
|
|
|
|
Чтобы дополнить эти структурные измерения, команда изучила химический и элементный состав отложений с помощью рентгеновской спектроскопии субмикронного разрешения (SRX) beamline на NSLS-II. Исследователи взяли образцы с различных типов местности в пределах этого района и измерили концентрацию определенных элементов в каждом образце.
|
|
|
|
"Мы обнаружили, что каждое крошечное зернышко осадка состоит не только из одного элемента или даже не только из одного вида материала", - объяснил Юрген Тим, адъюнкт-профессор университета Стоуни Брук и бывший научный сотрудник SRX beamline.
|
|
|
|
"Мы смогли зафиксировать микрогетерогенность этих крошечных образцов, разнообразие их химической структуры, вплоть до микроэлементов".
|
|
|
|
Железо и кальций были в изобилии обнаружены во всех образцах, но распределение этих элементов, по-видимому, зависело от местности, в которой они были найдены. Снимки, полученные с помощью SRX, также помогли команде определить степень окисления железа в осадочных породах, что может быть следствием атмосферных воздействий.
|
|
|
|
Расшифровка этих данных о перемещении осадочных пород может помочь исследователям представить, как выглядел Марс до того, как он превратился в негостеприимную планету, которой является сейчас.
|
|
|
|
"Сложность этих исследований действительно интересна с точки зрения земной жизни", - сказал Торп. "Каждая из этих различных фаз, хотя их и трудно определить количественно, рассказывает нам о другой части истории с точки зрения выветривания, климата и всех других сложных процессов, которые происходили во время перемещения этих отложений из гор в океан.
|
|
|
|
"Когда мы получим эти сложные природные образцы с Марса, в которых, как мы знаем, будет много похожих минералов и аморфных материалов, будем ли мы готовы определить, что это за фазы? Мы надеемся, что эти образцы из Исландии и других аналогов на Земле помогут нам ответить на этот вопрос".
|
|
|
|
Благодаря анализу с высоким разрешением команда получила более детальное представление о том, как эти отложения формировались вместе с течением времени. Они были удивлены тем, насколько сильно каждый образец менялся в зависимости от условий, в которых они находились во время своего путешествия.
|
|
|
|
Эти породы не были простой историей, рассказанной в легко интерпретируемых слоях; они имели сложные изгибы, повороты и развитие. Они накапливали и теряли материал, претерпевали структурные изменения и адаптировались к таким факторам, как температура, погодные условия и даже уровень углекислого газа.
|
|
|
|
Ученые, возможно, недооценили количество изменений, произошедших с течением времени и на протяжении всего осадочного процесса, без этих скрытых микроскопических подсказок.
|
|
|
|
По мере того как ученые получают возможность охарактеризовать эти образцы изнутри с помощью рентгеновских методов высокого разрешения и передовой микроскопии для уточнения своих интерпретаций, они получают более полную картину условий, которые формируют эти крошечные капсулы времени в каждой уникальной экосистеме.
|
|
|
|
Изучение языка этих камней через их истории важно для понимания историй планет, которые больше не имеют возможностей рассказать о них.
|
|
Играем в игру ожидания
|
|
|
|
Несмотря на то, что в переводе историй об осадочных породах здесь, на Земле, все еще существуют трудности, которые необходимо преодолеть, исследователям не терпится увидеть, как эти процессы проявятся на Марсе.
|
|
|
|
Кампания НАСА по возвращению образцов с Марса направлена на то, чтобы доставить эти внеземные породы на Землю наиболее эффективным способом, но этот процесс займет несколько лет. НАСА призывает сообщество предложить свои лучшие идеи для ускорения этого процесса.
|
|
|
|
Учитывая, насколько сложно собрать и вернуть эти драгоценные образцы, ученые будут проявлять крайнюю осторожность при их изучении. Камни будут надежно храниться в герметичной металлической трубке, которую невозможно открыть и подвергнуть повреждению или изменению под воздействием атмосферы Земли.
|
|
|
|
Чтобы проникнуть внутрь металлического контейнера и проанализировать его содержимое, понадобятся рентгеновские лучи высокой энергии. Тем временем Торп рассматривает другие возможности, которые находятся ближе к дому.
|
|
|
|
"Я всегда стремлюсь получить больше ответов, и даже если в конечном итоге я докажу свою неправоту, это часть научного мышления", - сказал он.
|
|
|
|
"Исландия всегда была отличным аналогом, но я хочу знать, нет ли других недостающих фрагментов осадочной мозаики. Чтобы продолжить это путешествие, наша команда отправилась на остров Лансароте в Испании, который сложен из таких же пород. Здесь более теплый климат с проливными дождями, что может привести к более высокой степени выветривания.
|
|
|
|
"Возможно, этот климат может придать новые черты динамичной истории о вулканических ландшафтах. Я всегда планирую продолжать задавать вопросы, искать в новых местах и выводить наше сотрудничество и технические подходы на новый уровень".
|
|
|
|
Источник
|
