|
Mysteriet
om metan på Mars & Titan Det kunne
betyde liv, det kunne betyde usædvanlig geologisk aktivitet; hvad det end er,
så er tilstedeværelsen af metan i Mars og Titans atmosfærer et af de mest
interessante mysterier i vort solsystem Sushil Atreya
Af alle planeterne i solsystemet, bortset fra Jorden, har Mars utvivlsomt det største potentiale for liv, enten uddødt eller bevaret. Den minder om Jorden på så mange måder: dens dannelsesproces, dens tidlige klimahistorie, dens vandreservoir, dens vulkaner og andre geologiske processer. Mikroorganismer ville passe fint ind. Et andet planetlegeme, Saturns største måne Titan, dukker også rutinemæssigt op i diskussioner om udenjordisk biologi. I sin tidlige fortid havde Titan forhold, der bidrog til dannelsen af molekylære forstadier til liv og nogle forskere tror, den kan have været levende og endda måske kunne være levende nu. For at gøre disse muligheder endnu mere interessante har astronomer, der studerer disse verdener, detekteret en gas, der ofte forbindes med levende ting: metan. Den findes i små. men tydelige mængder på Mars og Titan svømmer nærmest i den. En biologisk kilde er mindst ligeså plausibel som en geologisk for Mars om ikke for Titan. Hver forklaring ville være fascinerende på sin egen måde og afsløre, at enten er vi ikke alene i universet eller at både Mars og Titan huser store underjordiske samlinger af vand sammen med uventede niveauer af geokemisk aktivitet. Forståelse af oprindelsen og skæbnen for metan på disse himmellegemer vil give afgørende spor til de processer, der former dannelsen, udviklingen og beboeligheden af jordlignende verdener i dette solsystem og muligvis i andre. Metan (CH4) er udbredt på gigantplaneterne - Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun - hvor den var produktet af kemisk behandling af gammelt solart tågemateriale. På Jorden er metan dog speciel. Af de 1.750 dele pr. milliard ved rumfang (ppbv) af metan i Jordens atmosfære er 90 til 95 procent af biologisk oprindelse. Græsædende hovdyr som køer, geder og yakokser udspyr en femtedel af det årlige globale metan udslip; gassen er er et metabolisk biprodukt fra bakterierne i deres tarme. Andre betydningsfulde kilder inkluderer termitter, rismarker, sumpe, lækage af naturgas (som selv er et resultat af tidligere liv) og fotosyntetiske planter [se "Metane, Plants and Climate Change," af Frank Keppler og Thomas Rückman; Scientific American, februar 2007]. Vulkaner bidrager med mindre end 0,2 procent af Jordens totale metan budget og selv de ventilerer måske metan produceret af organismer i fortiden. Ikke-biologiske kilder som industriprocesser er forholdsvis små. Således rejser detekteringen af metan på et andet jordlignende objekt naturligt udsigten til liv på det legeme. LYNSKUD FRA TITAN
LYNSKUD FRA
MARS
Det er, hvad der skete med Mars i 2003 og 2004, da tre uafhængige grupper forskere bekendtgjorde opdagelsen af metan i den planets atmosfære. Ved brug af en højopløsning spektrograf på Infrared Telescope Facility på Hawaii og på Gemini South Telescope i Chile detekterede et hold ledet af Michael Mumma fra NASA Goddard Space Flight Center metan koncentrationer over 250 ppbv, varierende over planeten og måske i tid. Vittorio Formisano fra Institute of Physics and Interplanetary Science i Rom og hans kolleger (inklusive mig) analyserede tusinder af infrarøde spektre samlet af Mars Express orbiteren. Vi fandt, at metan var langt mindre udbredt, området var fra nul til omkring 35 ppbv, med et planetmiddeltal på omkring 10 ppbv. Endelig målte Vladimir Krasnopolsky fra Catholic University of America og hans kolleger ved brug af Canada-France-Hawaii Telescope et planetmiddel på omkring 10 ppbv. De kunne ikke bestemme variationen over planeten på grund af et dårligt signal og rumlig opløsning. Mummas hold analyserer nu deres data igen for at prøve at bestemme, hvorfor dets værdi er den yderste. For nu vil jeg tage 10 ppbv værdien som den mest sandsynlige. Den svarer til en koncentration af metan (i molekyler pr. rumfangsenhed), som kun er 40 milliontedele af koncentrationen i Jordens atmosfære. Ikke desto mindre kræver selv den mindste tilstedeværelse af gassen en forklaring. Skønt astronomer detekterede metan på Titan så tidligt som 1944, var det først den yderligere opdagelse af kvælstof 36 år senere, der gav den enorme interesse for denne kolde og fjerne måne (se "Titan," af Tobias Owen; Scientific American, februar 1982). Kvælstof er en nøglebestanddel af biologiske molekyler som aminosyrer og kernesyrer. Et legeme med en kvælstof-metan atmosfære, hvor trykket ved overfladen er halvanden gange det, der er på vor hjemplanet, kan have de rette ingredienser til at molekylære forstadier til liv og, har nogen spekuleret, endda selve livet kan dannes. Metan spiller en central, kontrollerende rolle i at vedligeholde Titans tykke kvælstof atmosfære. Den er kilden til kulbrinte dis, som absorberer solens infrarøde stråling og opvarmer stratosfæren med omkring 100 grader Celsius og til brint, hvis molekylære kollisioner resulterer i en 20-graders opvarmning i troposfæren. Hvis metanen nogensinde slap op, ville temperaturen falde, kvælstof gassen ville kondensere til flydende dråber og atmosfæren ville kollapse. Titans særlige karakter ville ændres for evigt. Dens smog og skyer ville forsvinde. Metanregnen, der synes at have skåret i dens overflade ville stoppe. Søer, pytter og strømme ville tørre ud. Og med sløret løftet ville Titans nøgne overflade ligge frit og klart tilgængelig for teleskoper på Jorden. Titan ville miste sin mystik og blive til bare endnu en måne med tynd luft. Kunne det tænkes, at metan på Mars og Titan har en biologisk oprindelse, som på Jorden eller har den en anden forklaring, som vulkaner eller nedslag af kometer og meteoritter? Vor forståelse af geofysiske, kemiske og biologiske processer har hjulpet med at indsnævre feltet af mulige kilder på Mars og mange af de samme argumenter gælder også for Titan. Det første trin i besvarelsen af
spørgsmålet er at bestemme, med hvilken hastighed metan skal produceres eller
leveres. Det afhænger så af, hvor hurtigt gassen fjernes fra atmosfæren. I
højder på 60 kilometer og højere over marsoverfladen spalter ultraviolet
stråling fra solen metan molekyler. Lavere nede i atmosfæren oxideres metan
af iltatomer og hydroxyl radikaler (OH), som dannes, når vandmolekyler brydes
itu af ultraviolette fotoner. Uden nye forsyninger ville metan gradvist
forsvinde fra atmosfæren. Metans "levetid" - defineret som den tid
det tager for gaskoncentrationen at falde med en faktor af den matematiske
konstant e, eller omkring tre - er
300 til 600 år, afhængigt af mængden af vanddamp, som gennemgår ændringer med
årstiden og af solstrålingens styrke, som varierer med solcyklus. På Jorden
giver tilsvarende processer metan en levetid på omkring 10 år. På Titan, hvor
solens ultraviolette stråling er meget svagere og molekyler med oxygen er
væsentlig mindre udbredte, kan metan vare 10 millioner til 100 millioner år
(hvilket stadig er kort tid i geologisk forstand). Metans levetid på Mars er lang nok til
at vinde og diffusion kan blande gassen i atmosfæren temmelig ensartet.
Derfor er de observerede variationer i metanniveauer
over planeten vanskeligt forståelige. De kan være et tegn på, at gassen
kommer fra lokale kilder eller forsvinder i lokale afløb. Et muligt afløb er
kemisk tilbagevirkende jord, som kunne accelerere tabet af metan. Hvis
sådanne yderligere afløb var aktive, ville det kræve en endnu større kilde at
opretholde den observerede udbredelse. Det næste trin er at overveje
potentielle scenarier for dannelse af metan. Den Røde Planet er et godt sted
at begynde, fordi dens metan udbredelse er så lav.
Hvis en mekanisme ikke kan forklare selv denne lille mængde, ville den
sandsynligvis ikke kunne redegøre for Titans langt større mængde. For en 600
års levetid skulle der produceres lidt over 100 tons metan hvert år for at
opretholde en konstant global middel på 10 ppbv.
Det er omkring en kvart milliontedel af produktionsraten på Jorden. Som på Jorden er vulkaner mest
sandsynligt ikke ansvarlige. Marsvulkaner har været udslukt i hundreder af
millioner år. Endvidere, hvis en vulkan havde været ansvarlig for metanen,
ville den også have pumpet enorme mængder svovldioxid og Mars' atmosfære er
blottet for svovlforbindelser. Udenplanetare bidrag
ser også minimale ud. Omkring 2.000 tons mikrometeoritstøv
vurderes at nå marsoverfladen hvert år. Mindre end 1 procent af deres masse
er carbon og selv dette materiale er for det meste
oxideret og derfor en ubetydelig kilde til metan. Kometer har omkring 1
procent metan pr. vægt, men de rammer kun Mars en gang for hver 60 millioner
år i middel. Derfor ville den leverede mængde metan være omkring et ton om
året eller mindre end 1 procent af den krævede mængde. Kunne det være, at en komet ramte Mars i
den nylige fortid? Den kunne have leveret en stor mængde metan og i tidens
løb ville mængden i atmosfæren være dalet til sin nuværende værdi. Et nedslag
af en komet med en diameter på 200 meter for 100 år siden, eller en komet med
en diameter på 500 meter for 2.000 år siden, kunne have leveret
tilstrækkeligt metan til at redegøre for den nuværende observerede globale
middelværdi på 10 ppbv. Men denne ide løber ind i
et problem: fordelingen af metan er ikke ensartet over planeten. Tiden, det
tager at fordele metan ensartet vertikalt og horisontalt, er højest
adskillige måneder. En kometkilde ville således resultere i en ensartet metanfordeling over Mars, i modsætning til
observationerne. Så er der to mulige kilder
tilbage: hydrogeokemisk og mikrobiel. Hver af dem
ville være fascinerende. Hydrotermiske ventiler,
kendt som "black smokers",
blev først opdaget på Jorden i 1977 på Galapagos
Rift [se "The Crest of the East Pacific
Rise," af Ken C, Macdonald og Bruce P. Luyendyk; Scientific American, maj 1981].Siden da har har oceanografer
fundet dem langs mange andre midtocean kamme. Laboratorie eksperimenter viser, at under de forhold, der
hersker ved disse ventiler, kan ultramafiske
silikater - klipper som er rige på jern eller magnesium, som olivin og pyroxen - reagere og
producere brint i en proces, der almindeligvis henvises til som serpentinisering. Derefter kan brints reaktion med
kulkorn, kultveilte, kulilte eller kulholdige mineraler producere metan. Nøglerne til denne proces er brint, kul,
metaller (der virker som katalysatorer) og varme og tryk. De er alle også til
rådighed på Mars. Serpentiniseringsprocessen kan
finde sted enten ved høje temperaturer (350 til 400 grader C) eller ved
mildere (30 til 90 grader C). Disse lavere temperaturer vurderes at findes
inde i angivelige vandforekomster på Mars. Skønt lavtemperatur serpentinisering
måske vil kunne producere den marsiske metan,
forbliver biologi en alvorlig mulighed. På Jorden producerer mikroorganismer
kaldet metanogener metan som et biprodukt ved
fortæring af brint, kultveilte eller kulilte. Hvis sådanne organismer levede
på Mars, ville de finde en klar forsyning af næringsstoffer: brint (enten
produceret i sepentiniseringsprocessen eller ved
diffusion ned i jorden fra atmosfæren) plus kultveilte og kulilte (i
klipperne eller fra atmosfæren). Når den er dannet af enten serpentinisering eller mikrober, kunne metanen opbevares
som et stabilt clathrate hydrat - en kemisk
struktur, der fanger metanmolekyler som dyr i et
bur - til senere frigivelse til atmosfæren, måske ved gradvis udgasning gennem spalter og revner eller ved episodiske
udbrud udløst af vulkanisme. Ingen er sikre på hvor effektivt clathraterne ville dannes eller hvor nemt de kunne
destabiliseres. Mars Express observationer antyder
større metan koncentrationer over områder, der indeholder underjordisk vandis. Både det geologiske og det biologiske scenarie
ville forklare denne sammenhæng. Vandforekomster under isen ville give et
beboeligt sted for skabninger eller et sted for hydrogeokemisk
produktion af metan. Uden flere data ser de biologiske og geologiske
muligheder lige sandsynlige ud. Et titansk ocean Ved første øjekast kunne man
tro, at Titans metan ville være nemmere at forstå: månen dannedes i
undertågen af Saturn, hvis atmosfære indeholder enorme mængder af gassen. Men
data taler for produktion af metan på Titan i stedet for levering af metan
til Titan. Huygens sonden fra den fælles NASA og European Space Agency Cassini-Huygens mission fandt ingen xenon eller krypton i
månens atmosfære. Hvis planetesimalerne, der dannede Titan, havde bragt
metan, ville de også have bragt disse tunge ædelgasser. Fraværet af sådanne
gasser viser, at metanen mest sandsynligt dannedes på Titan. Derfor er tilstedeværelsen af metan på
Titan ligeså mystisk, som den er på Mars - i nogen
henseender mere, alene på grund af dens mængde (5 procent i rumfang). En
plausibel kilde er, som på Mars, serpentinisering
ved relativt lave temperaturer. Christophe Sotin
fra University of Nantes
i Frankrig og hans kolleger har argumenteret, at Titan måske kunne opretholde
et underjordisk ocean af flydende vand. Opløst ammoniak, der virkede som antifrostmiddel, ville hjælpe med at hindre det i at
fryse fast. I deres model er oceanet 100 kilometer under Titans overflade og
300 til 400 kilometer dybt. I fortiden kunne henfald af radioaktive
grundstoffer og tiloversbleven varme fra Titans dannelse have smeltet næsten
al legemets is - så oceanet kunne have strakt sig hele vejen ned til
klippekernen. Under disse forhold ville reaktioner
mellem vandet og klippen have frigjort brint gas, som derefter ville have
reageret med kuldioxid, kulilte, kulkorn eller andre kulholdige materialer -
og produceret metan. Jeg vurderer, at denne proces ville have kunnet forklare
Titans observerede metan udbredelse. Når den en gang var produceret, kunne
metanen være blevet opbevaret som et stabilt clathrat
hydrat og frigjort til atmosfæren enten gradvist gennem vulkanisme eller i
udbrud udløst af nedslag. Et interessant spor er argon 40 gassen,
som blev detekteret af Huygens, da den dalede ned gennem Titans atmosfære.
Denne isotop dannes ved radioaktivt henfald af potassium
40, som er afsondret i klipperne dybt i Titans kerne. Fordi den radioaktive
halveringstid for potassium 40 er 1,3 milliarder
år, er den lille mængde argon 40 i atmosfæren vidnesbyrd om langsom
frigørelse af gasser fra det indre. Desuden viser optiske og radar billeder
af overfladen tegn på kryovulkanisme - geyserlignende udbrud af ammoniak-vandis
- som også viser, at materiale vælder op fra det indre. Overfladen ser
relativt ung ud og er fri for kratere, hvilket er et tegn på, at materiale
fra det indre kommer op til overfladen igen. Med den anslåede hastighed for
materialet ville det frigive nok metan fra det indre til at opveje det
fotokemiske tab. Metan på Titan spiller den rolle, som vand spiller på
Jorden, komplet med overflade reservoirer, skyer og regn - en helt
flyvefærdig metan cyklus. Der findes således en væsentlig mængde vidnesbyrd,
endda mere end på Mars, for, at metan opbevaret i det indre ikke ville have
vanskeligt ved at komme ud på overfladen og derefter fordampe i atmosfæren. Kunne biologi også spille en rolle ved
skabelsen af Titans metan? Christopher McKay fra
NASA Ames Research Center og Heather Smith fra
International Space University i Strasbourg,
Frankrig, såvel som Dirk Schulze-Makuch fra
Washington State University og David Grinspoon fra Denver Museum of Nature and Science, har
foreslået, at acetylen og brint kunne tjene som næringsstoffer for metanogener selv i den ekstreme kulde på Titans overflade
(-179 grader C). Denne biogene proces adskiller sig fra den, der anvendes af metanogener på Jorden og deres fætre, om nogen, på Mars
ved, at der ikke behøves vand. I stedet virker flydende kulhydrater på Titans
overflade som medium. Dog har denne hypotese en mangel.
Huygens data udelukker en underjordisk kilde til acetylen; denne forbindelse
skal i sidste ende komme fra metan i atmosfæren. Derfor forekommer det som et
cirkulært argument: for at producere metan (af mikrober), skal man bruge
metan. Desuden er selve udbredelsen af metan på Titan så umådelig, at metanogener ville skulle arbejde i overdrive for at
producere den og derved formindske de til rådighed værende næringsstoffer. I lyset af disse forhindringer er en
biologisk forklaring på metan meget mindre tiltrækkende på Titan end på Mars.
Ikke desto mindre fortjener hypotesen om beboelighed at blive undersøgt.
Nogle forskere argumenterer, at denne måne kunne have været, eller stadig er
beboelig. Den modtager nok sollys til at lave kvælstof og metan til
molekyler, der er forstadier til biologi. En underjordisk vand-ammoniak saltlage,
med noget metan og andre kulbrinter tilsat, kunne være et venligt miljø for
komplekse molekyler eller endda levende organismer. I den fjerne fortid, da
den unge Titan stadig afkøledes, kunne flydende vand endda have strømmet på
dens overflade. En afgørende måling, der kunne
hjælpe med at bestemme kilderne til metan på Mars og Titan er carbon isotop forholdet. Livet på Jorden har udviklet sig
til at foretrække carbon 12, som kræver mindre
energi til binding end carbon 13 gør. Når aminosyrer
kombinerer, viser de resulterende proteiner en tydelig mangel på den tungere
isotop. Levende organismer på Jorden indeholder 92 til 97 gange så meget carbon 12 som carbon 13; for
uorganisk stof er forholdet 89,4. På Titan målte Huygens sonden imidlertid
et forhold på 82,3 i metan, hvilket er mindre, ikke større, end den jordiske
uorganiske standardværdi. Denne opdagelse taler stærkt imod tilstedeværelsen
af liv, som vi kender det. Der er dog forskere, som foreslår, at livet kunne
have udviklet sig anderledes på Titan end på Jorden eller at det uorganiske
isotopforhold kan være anderledes der. Ingen har endnu bestemt carbon isotop forholdet for Mars. Denne måling er en
udfordring, når gassens koncentration er så lav (en milliarddel af den, der
er på Titan). NASAs Mars Science Laboratory (MSL) rover, som er planlagt til
at ankomme til Mars i 2010 (udsat til opsendelse efterår 2011, o.a.), skulle
kunne udføre præcise målinger af carbon isotoperne
i metan og muligvis andre organiske materialer. Den vil også studere faste og
gasformige prøver efter andre kemiske tegn på
tidligere eller nuværende liv, som et meget højt forhold i udbredelsen af
metan til tungere kulbrinter (ethan, propan, butan)
og kiralitet (en forkærlighed for enten
venstrehåndede eller højrehåndede organiske molekyler). Forbundet med disse emner er spørgsmålet
om, hvorfor organiske stoffer synes at mangle på overfladen af Mars. Selv i
fraværet af liv skulle meteoritter, kometer og interplanetare
støvpartikler have leveret organiske stoffer i løbet af de sidste fire og en
halv milliard år. Måske ligger svaret i marsiske
støvdjævle og storme og almindelig springen (hinken af vindblæste støvkorn). Disse processer
frembringer stærke statisk-elektricitet felter, som kan udløse den kemiske
syntese af brintoverilte. Da den er et kraftigt antiseptisk middel, ville
brintoverilten hurtigt sterilisere overfladen og udrense organiske stoffer. Oxidanten ville også accelerere tabet af metan lokalt fra
atmosfæren; derfor kræves en større kilde for at forklare den observerede
udbredelse i marsatmosfæren. Som opsummering tjener metan som limen,
der holder Titan sammen på nogle mystiske måder. Tilstedeværelsen af metan på
Mars er lige så interessant, ikke mindst fordi den fremkalder visioner om liv
på den planet. Fremtidig udforskning af begge legemer vil søge at bestemme,
om de nogensinde var beboelige. Skønt liv, som vi kender det, kan producere
metan, kendetegner tilstedeværelsen af metan ikke eksistensen af liv. Så planetforskere
skal undersøge kilderne, afløbene og gassens isotop sammensætning sammen med
andre organiske molekyler og sporbestanddele i både gasformige
og faste prøver grundigt. Selv om man finder, at metan ikke har nogen
forbindelse med liv, vil studiet af den afsløre nogle af de mest fundamentale
sider af dannelsen, klimahistorier, geologi og udvikling af Mars og Titan. NASA’s
næste rover
Metan
på Mars
RON MILLER; MELISSA THOMAS Metan
på Titan
Mere at udforske Detection of Metane
in the Atmosphere of Mars. Vittorio Formisano, Sushil
Atreya, Thérèse Encrenaz, Nikolai Ignatiev og Marco Giuranna i Science,
Vol. 306, sidene 1758-1761, 28. oktober, 2004. A Sensitive Search for SO2 in the
Martian Atmosphere: Implications for Seepage and Origin of Metane. Vladimir A. Krasnopolsky i Icarus, Vol.
178, No. 2, siderne 487-492; november
2005. Episodic Outgassing as the Origin of Atmospheric Metane on Titan. Gabriel Tobie, Jonathan I. Lunine og Christophe Sotin i Nature, Vol. 440, siderne 61-64; 2. marts, 2006. Titan's Metane
Cycle. Sushil K. Atreya, Elena Y.
Adams, Hasso B. Niemann,
Jaime E. Demick-Montelara, Tobias C. Owen, Marcello
Fulchigoni, Francesca Ferri
og Eric H. Wilson i Planetary and Space Science,
Vol. 54, No. 12, siderne 1177-1187: oktober 2006. Metane and Related Trace Species on Mars: Origin, Loss, Implications for
Life, and Habitability. Sushil K. Atreya,
Paul R. Mahaffy og Ah-San
Wong i Planetary and Space Science, Vol. 55, No. 3, siderne
358-369; februar 2007. Universitetet i Oslo: Gåten om
Titans metan på http://www.astro.uio.no/ita/nyheter/titan_0306/titan_0306.html Metan på Mars observeret spektroskopisk
* Sushil K. Atreya
startede sin rumkarriere på Voyager missionernes videnskabshold og fortsatte
med Galileo, Cassini-Huygens,
Venus Express, Mars Express, Mars Science Laboratory (planlagt til opsendelse
i 2009) og Juno-Jupiter polar Orbiter
(2011). Hans forskning fokuserer på oprindelsen og udviklingen af atmosfærer
og dannelsen af planetsystemer. Han er professor på
Fra The Mystery of Metane
on Mars & Titan, Scientific American, maj
2007, siderne 24-33.
18. januar, 2009. |
