Können andere Gase helfen, das Mysterium des Mars-Methans zu erklären?

Kastenförmiger Satellit mit breitem Panel und Schüsselantenne, der den rötlichen Mars umkreist.

Künstlerische Darstellung des gemeinsamen europäisch-russischen Trace Gas Orbiters (TGO), der seit 2016 den Mars umkreist. Bild via ESA/ ATG medialab/Space.com.


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Ist das Methan in der Marsatmosphäre geologischen Ursprungs, das durch Prozesse im Marsgestein entsteht? Oder könnte es einLebenszeichen? Mars-Methan wurde von Teleskopen auf der Erde, umlaufenden Raumfahrzeugen und sogar derNeugier Roverauf dem Mars. Unterdessen waren Wissenschaftler der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) frustriert, weil ihr Trace Gas Orbiter (TGO) - Teil von demExoMarsMission – zum Teil speziell für die Messung von Methan entwickelt. Der Orbiter umkreist den Mars seit 2016, aber bisher kein Methan. Jetzt glauben Wissenschaftler, eine Antwort zu haben.


Die neuen Erkenntnisse stammen von Wissenschaftlern aus Großbritannien und Russland. Sie könnten helfen zu erklären, warum TGO kein Methan auf dem Mars entdeckt hat, die ESA hatgemeldet. Die Antwort hat mit zwei anderen Gasen in der Atmosphäre zu tun, Kohlendioxid (CO2) und Ozon (O3).

Forscher veröffentlichten zwei neuepeer-reviewedPapiere am 27. Juli 2020, inAstronomie & Astrophysik. Man beschäftigt sich mit demKohlendioxidErkennung und die andere mit demOzon.

Obwohl TGO Methan immer noch nicht direkt nachgewiesen hat, hat es eine weitere faszinierende Entdeckung gemacht, die erklären könnte, warum. Es entdeckte sowohl Kohlendioxid als auch Ozon in den Regionen, in denen Methan erwartet wurde. Beide Gase sind seit langem bekannt und die Marsatmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid. Warum also überrascht das?

Zwei Grafiken mit engen Zick-Zack-farbigen Signaturlinien und Textanmerkungen auf weißem Hintergrund.

Spektrale Signaturen von Kohlendioxid (links) und Ozon (rechts) auf dem Mars, wie sie vom ACS-Instrument auf dem Trace Gas Orbiter (TGO) erfasst wurden. Bild über Olsen et al./DIES.




Kevin Olsender University of Oxford, der die britische Studie leitete, erklärte in aStellungnahme:

Diese Funktionen sind sowohl rätselhaft als auch überraschend.

Sie liegen über dem genauen Wellenlängenbereich, in dem wir die stärksten Anzeichen von Methan erwarteten. Vor dieser Entdeckung war die CO2-Eigenschaft völlig unbekannt, und dies ist das erste Mal, dass Ozon auf dem Mars in diesem Teil des infraroten Wellenlängenbereichs identifiziert wurde.

TGO machte die Beobachtungen, nachdem er die Marsatmosphäre ein ganzes Jahr lang mit seiner Atmospheric Chemistry Suite (ACS). ACS ist extrem empfindlich und kann Wissenschaftlern zeigen, wie diese Gase mit Licht interagieren. Die Forscher warennichtin der Erwartung, Ozon im Teil derInfrarotWellenlängenbereich, in dem Methan erwartet wurde. Frühere Beobachtungen beruhten darauf, die Ozonsignatur in derultraviolett, eine Technik, die nur Messungen in großen Höhen (über 20 km [12 Meilen] über der Oberfläche) erlaubte. ACS kann jedoch auch Ozon in niedrigeren Höhen kartieren. Aus dem Ozonpapier:


Wir berichten über die erste Beobachtung der spektralen Eigenschaften von Mars-Ozon (O3) im mittleren Infrarotbereich mit dem Atmospheric Chemistry Suite Mid-InfaRed (MIR)-Kanal, einer KreuzdispersionSpektrometerBetrieb im Sonnenbedeckungsmodus mit der feinsten spektralen Auflösung aller Fernerkundungsmissionen zum Mars.

Die Fähigkeit, diese gleichzeitig zu lösenSpezieshat einen Einfluss auf aktuelle und frühere Versuche, die Häufigkeit von Methan in der Marsatmosphäre zu messen.

In dieser Region und Zeitperiode, die der nördlichen Herbst-Tagundnachtgleiche entspricht, konnten wir im mittleren Infrarot in Höhen unter 30 km [19 Meilen] erhebliche Ozonmengen beobachten.

Die Ozonabsorption unterhalb von 30 km im mittleren Infrarotbereich hat wichtige Auswirkungen auf die Suche nach atmosphärischem Methan. Frühere Beobachtungen von Methan in der Marsatmosphäre (Formisano et al. 2004; Krasnopolsky et al. 2004; Mumma et al. 2009; Webster et al. 2015) waren eine treibende Kraft für die Entwicklung der ExoMars-TGO-Mission. CH4 sollte in der Atmosphäre des Mars eine relativ kurze Lebensdauer haben (mehrere hundert Jahre), was bedeutet, dass aktuelle Beobachtungen eine aktive Quelle erfordern (Lefèvre & Forget 2009). Ein zentrales Ziel der TGO-Mission ist es, mit Sicherheit festzustellen, ob CH4 in der Atmosphäre des Mars vorhanden ist und wie groß seine räumliche und zeitliche Variabilität ist, sowie mögliche Quellen zu lokalisieren. Diese Geschichte ist weiterhin faszinierend, da die ersten Ergebnisse von TGO eine Obergrenze in der Größenordnung von 50 pptv meldeten (Korablev et al. 2019) und ACS-MIR-Beobachtungen weiterhin kein Methan nach einem MY zeigen. Stattdessen haben wir stattdessen die seltenen und bisher unentdeckten Signaturen von O3 und ein neues magnetisches CO2-Dipolband gefunden (Trokhimovskiy et al. 2020).


Zwei Grafiken mit zickzackfarbenen Signaturlinien und Textanmerkungen auf weißem Hintergrund.

Eine weitere Grafik, die die unerwartete Kohlendioxid-Signatur – eine magnetische Dipol-Absorptionsbande des Moleküls – hervorhebt, wie sie vom ACS-Instrument auf dem Trace Gas Orbiter (TGO) nachgewiesen wurde. Bild über Trokhimovskiy et al./DIES.

ACS sah auch Kohlendioxid im infraroten Wellenlängenbereich, in dem sie Methan erwarteten, was ebenfalls unerwartet war.Alexander Trochimovskyvom Weltraumforschungsinstitut der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau, der die russische Studie leitete, sagte:

Die Entdeckung einer unvorhergesehenen CO2-Signatur, bei der wir nach Methan jagen, ist von Bedeutung. Diese Signatur konnte bisher nicht nachgewiesen werden und könnte daher bei der Entdeckung geringer Methanmengen auf dem Mars eine Rolle gespielt haben.

Wiebemerktvon Meghan Bartels in einem Artikel fürSpace.com, die ungewöhnliche Ausrichtung dieser beiden Gase, bei denen Methan erwartet wurde, deutet darauf hin, dass sie den Nachweis von Methan durch TGO stören. Aus dem Ozonpapier:

Die beobachtete spektrale Signatur von Ozon bei 3000–3060 cm -1 überlappt direkt mit dem Spektralbereich des Methan (CH4) v3-Schwingungs-Rotations-Bandes und kann zusammen mit einer neu entdeckten CO2-Bande in derselben Region die Messungen stören der Methanhäufigkeit.

Tortendiagramme überlagert auf Erd- und Mars-Globen nebeneinander mit weißen Textanmerkungen auf schwarzem Hintergrund.

Vergleich der Atmosphären von Mars und Erde. Bild überDIES.

Grafische Darstellung des Mars mit Textanmerkungen auf schwarzem Hintergrund.

Eine Geschichte der wichtigsten Methanmessungen auf dem Mars von 1999 bis 2018. Image viaDIES.

Diese Ergebnisse stimmen nicht direkt mit denen anderer Missionen überein, da die Beobachtungen meistens zu anderen Zeiten als die, die Methan fanden, gemacht wurden und TGO darauf ausgelegt ist, sehr kleine Mengen Methan zu erschnüffeln, nicht größere Plumes wie zuvor (obwohl sogar diese Plumes sind sehr klein im Vergleich zu Methan-Plumes auf der Erde). Olsen sagte:

Tatsächlich arbeiten wir aktiv daran, Messungen mit anderen Missionen zu koordinieren. Anstatt frühere Behauptungen zu bestreiten, ist dieser Befund ein Motivator für alle Teams, genauer hinzuschauen. Je mehr wir wissen, desto tiefer und genauer können wir die Atmosphäre des Mars erforschen.

Die Forscher fragten sich, ob frühere Beobachtungen von der Erde,Mars-Express(mit dem Planetary Fourier Spectrometer, oderPFS) oder Neugier (mit dem durchstimmbaren Laserspektrometer, oderTLS) könnte Kohlendioxid und/oder Ozon mit einigen der Methanmessungen verwechselt haben, dies wird jedoch als unwahrscheinlich erachtet. Aus dem Ozonpapier:

CO2 und O3 allein können die Feststellungen beider Teams nicht erklären. Im Fall von PFS würden sich die bisher unbekannten CO2-Eigenschaften auf alle Beobachtungen gleichermaßen auswirken, da CO2 immer vorhanden und gut gemischt ist. Das PFS-Team hat stattdessen CH4 nur in wenigen Beobachtungen identifiziert (Formisano et al. 2004; Giuranna et al. 2019). Darüber hinaus berechneten wir Spektren mit O3 in zwei- und dreimal so großen Mengen wie in unseren Beobachtungen, und die schiere Größe von CH4, die von diesen letzteren Autoren beobachtet wurde (15 ppbv), ist viel zu groß, um leicht mit O3 verwechselt zu werden.

Im Fall von TLS, das Messungen von CH4 an der Oberfläche und meistens nachts vornimmt, wo und wenn die O3-Häufigkeit am größten ist, ist es wiederum unwahrscheinlich, dass die beobachtete große Menge an CH4 (bis zu 9 ppbv) von O3 herrührt, jedoch Letztere können die Messung des Methan-Hintergrundniveaus im sogenannten angereicherten Modus stören, da sowohl Ozon als auch Methan dieselbe Anreicherung aufweisen sollten.

Für bodengestützte Beobachtungen müssen zunächst starke O3-Absorptionsmerkmale aus der Erdatmosphäre entfernt werden, bevor Mischungsverhältnisse für den Mars abgerufen werden (Krasnopolsky 2012; Mumma et al. 2009); O3 muss berücksichtigt werden, allerdings erschwert dieser Schritt den Abruf (Zahnle et al. 2011). Schließlich ist bei allen früheren Beobachtungen die schnelle Entwicklung und das Verschwinden von CH4 immer noch nicht erklärt, obwohl die Ozonchemie mit einer Lebensdauer in der Größenordnung von Tagen sehr schnell ist.

Illustration der felsigen Oberfläche und des Untergrunds mit Pfeilen und Textanmerkungen.

Die möglichen Methoden, mit denen Wissenschaftler glauben, dass Methan auf dem Mars erzeugt und zerstört werden kann. Bild überDIES.

Die Ergebnisse werden den Wissenschaftlern nicht nur helfen, Methan besser aufzuspüren, sondern auch mehr über die Marsatmosphäre insgesamt erfahren. Alexander sagte:

Diese Erkenntnisse ermöglichen es uns, ein umfassenderes Verständnis unseres planetarischen Nachbarn aufzubauen.

Ozon und CO2 sind in der Marsatmosphäre wichtig. Wenn wir diese Gase nicht richtig berücksichtigen, laufen wir Gefahr, die Phänomene oder Eigenschaften, die wir sehen, falsch zu charakterisieren.

Zusammen machen diese beiden Studien einen bedeutenden Schritt, um die wahren Eigenschaften des Mars zu enthüllen: zu einem neuen Maß an Genauigkeit und Verständnis.

Die Hauptaufgabe von TGO besteht darin, Spurengase aufzuspüren, die entweder aus geologischen oder biologischen Prozessen stammen könnten. Die ExoMars-Mission ist insgesamt eine gemeinsame Anstrengung zwischen Europa und Russland. Laut TGO-ProjektwissenschaftlerHåkan Svedhem:

Diese Ergebnisse sind das direkte Ergebnis der äußerst erfolgreichen und laufenden Zusammenarbeit zwischen europäischen und russischen Wissenschaftlern im Rahmen von ExoMars.

Sie setzen neue Maßstäbe für zukünftige Spektralbeobachtungen und werden uns helfen, ein vollständigeres Bild der atmosphärischen Eigenschaften des Mars zu zeichnen – einschließlich wo und wann Methan gefunden werden kann, was eine Schlüsselfrage bei der Marserkundung bleibt.

Darüber hinaus werden diese Erkenntnisse eine gründliche Analyse aller relevanten Daten, die wir bisher gesammelt haben, veranlassen – und die Aussicht auf neue Entdeckungen auf diese Weise ist wie immer sehr spannend. Jede Information, die der ExoMars Trace Gas Orbiter enthüllt, markiert den Fortschritt in Richtung eines genaueren Verständnisses des Mars und bringt uns einen Schritt näher an die Entschlüsselung der anhaltenden Geheimnisse des Planeten.

Lächelnder Mann mit Brille und vertikalen Jalousien hinter ihm.

Kevin Olsen von der University of Oxford in Großbritannien, der die Mars-Ozonstudie leitete. Bild überUniversität von Oxford.

Wir kennen den Ursprung des Marsmethans immer noch nicht, aber die neuen Studien aus Europa und Russland zu anderen Gasen in der Atmosphäre werden helfen, die Möglichkeiten zu verfeinern und einzugrenzen.

Fazit: Der TGO-Orbiter der ESA hat unerwartet Kohlendioxid und Ozon in der Marsatmosphäre entdeckt, wo sich das schwer fassbare Methan befinden sollte.

Quelle: Erste Beobachtung der magnetischen Dipol-CO2-Absorptionsbande bei 3,3 um in der Marsatmosphäre durch das Instrument ExoMars Trace Gas Orbiter ACS

Quelle: Erster Nachweis von Ozon im mittleren Infrarot auf dem Mars: Auswirkungen auf den Methannachweis

Über ESA