Mysterieuze piek in zuurstofgehalte waargenomen op Mars

De ontdekking is slechts een van de chemische puzzels die opgelost moeten worden voordat toekomstige Mars-bemanningen op zoek kunnen gaan naar leven op de Rode Planeet.donderdag 21 november 2019

Nadat hij ruim zes jaar lang de ijle en steenkoude atmosfeer van Mars heeft opgesnoven, heeft een rover van de NASA een verbluffende ontdekking gedaan: op de Rode Planeet is meer zuurstof aanwezig dan onderzoekers hadden verwacht, en die zuurstof gedraagt zich bovendien vreemd.

In het voorjaar en de zomer schiet het zuurstofgehalte in de Martiaanse atmosfeer omhoog met een extra vierhonderd ppm (parts per million; deeltjes per miljoen), oftewel tot dertig procent boven het niveau dat onderzoekers hadden verwacht op basis van de aanwezigheid van andere gassen in de atmosfeer van de planeet. De zuurstofpiek lijkt deels in verband te staan met een ander gasmysterie: de seizoensgebonden stijging en daling van het methaangehalte.

“Mars heeft ons opnieuw bij de neus genomen!” zegt Sushil Atreya, planetoloog aan de University of Michigan en lid van het team dat de vreemde zuurstofresultaten heeft beschreven in een artikel in het Journal of Geophysical Research: Planets.

Als het om zuurstof in de atmosfeer van een planeet gaat, is het verleidelijk om meteen te denken aan fotosynthese, maar al langer is bekend dat de zuurstof op Mars ontstaat bij processen die niets met leven te maken hebben. De resultaten wijzen dus niet per se op de aanwezigheid van levende organismen maar geven aan dat er nog veel hiaten zitten in onze kennis over de chemische omstandigheden aan de oppervlakte van de Rode Planeet – hiaten die gevuld moeten worden voordat we serieus op zoek kunnen gaan naar directe bewijzen voor het bestaan van Martiaans leven in heden of verleden.

Volgend jaar zomer zullen vier staten missies naar Mars lanceren om daaraan bij te dragen. Daaronder bevindt zich ook de rover Mars 2020 van de NASA, die monsters zal verzamelen en die zal klaarleggen voor toekomstige missies die ze uiteindelijk voor nader onderzoek naar de aarde zullen brengen. De Europese Unie en Rusland werken samen aan de ExoMars-missie, die onder meer zal bestaan uit de landing van de rover Rosalind Franklin. Die robotverkenner zal zo’n twee meter diep in de Martiaanse bodem boren om de chemische samenstelling van de Rode Planeet grondiger dan ooit te kunnen bestuderen.

“Bij elk planetair systeem moet de aanwezigheid van leven het laatste verklaringsmodel zijn,” zegt hoofdauteur Melissa Trainer, planetologe van het Goddard Space Flight Center van de NASA. “We moeten ervoor zorgen dat we een volledig inzicht hebben in de werking van Mars als systeem.”

Vreemd gedrag

Veel van wat we momenteel weten over de atmosfeer van Mars, berust op metingen van telescopen op aarde en van instrumenten aan boord van orbiters rond de planeet, die chemische signalen kunnen waarnemen en daaruit de algehele samenstelling van de Martiaanse atmosfeer kunnen afleiden, waaronder ook het zuurstofgehalte. Al eerder wisten onderzoekers dat dit zuurstof door niet-biologische processen werd geproduceerd.

Wanneer ultraviolet licht van de zon op kooldioxide en waterdamp in de atmosfeer van Mars botst, worden die moleculen opgebroken in losse elementen, waardoor er moleculair zuurstof of Oontstaat. Uiteindelijk ondergaat deze Onog een andere reeks chemische reacties, waaruit COontstaat, zodat de cirkel weer rond is. Een los O2-molecuul kan tien of zelfs tientallen jaren lang in de Martiaanse atmosfeer aanwezig blijven, waardoor het door zonlicht gevormde O2ongeveer 0,13 procent van de huidige atmosfeer van de Rode Planeet uitmaakt.

Vanwege die langdurige stabiliteit gingen onderzoekers ervan uit dat het Martiaanse Ozich feitelijk als een inert gas gedraagt en dat de concentraties ervan net als die van soortgelijke gassen, waaronder argon en stikstof, in de loop der tijd pieken en dalen vertonen. Maar vanwege het verhullende stof en andere factoren op Mars kunnen telescopen geen betrouwbare metingen van de omstandigheden vlak boven het Martiaanse oppervlak doen. Gelukkig was er de Mars-rover Curiosity, die al sinds 2012 over de Martiaanse bodem rolt en zeer gedetailleerde en plaatselijke gegevens over de Martiaanse atmosfeer vergaart.

“Het is echt een ongekend nauwkeurige dataset,” zegt Trainer. Maar uit de metingen van Curiosity bleek dat het zuurstofgehalte op Mars toch niet zo ‘keurig’ is als werd verwacht. Niet alleen is er elk jaar een piek in de concentratie Ote bespeuren, ook de pieken zelf gedragen zich elk jaar verschillend. “Toen we dat voor het eerst zagen, dacht ik: ‘Dit is compleet bizar,’” zegt Atreya.

De piek in het zuurstofgehalte leek bovendien vreemd genoeg erg op soortgelijke seizoensgebonden pieken in het methaangehalte, een gas dat in zeer kleine hoeveelheden in de Martiaanse atmosfeer aanwezig is en dat op aarde vaak in verband staat met biologische processen. De concentraties van beide gassen nemen in de herfst en winter geleidelijk af, waarna ze in het voorjaar en de zomer stijgen. Maar er zijn enkele belangrijke verschillen: het zuurstofgehalte begint vroeger in het Martiaanse jaar aan zijn stijging dan het methaangehalte, en anders dan de onregelmatige pieken in het zuurstofgehalte vertonen de methaanpieken van jaar tot jaar een grote regelmaat.

“Dat is een geheel nieuw aspect van het mysterie. We vinden dat uiterst fascinerend en we willen heel graag weten of er een verband tussen beide fenomenen bestaat,” zegt Trainer. “Ze zouden beide door een bron aan de oppervlakte geproduceerd kunnen worden, maar het is onduidelijk of ze wel uit één en dezelfde bron voortkomen.”

Rap en raar

Tot nu toe zijn er nog geen duidelijke oorzaken voor de pieken in het zuurstofgehalte gevonden. De gebruikelijke, door zonlicht aangedreven processen waaruit het Martiaanse Oontstaat, zijn niet snel genoeg om zulke plotselinge pieken te veroorzaken. Dus hebben Trainer en haar collega’s hun aandacht gericht op het oppervlak van de Rode Planeet, waar zich meer dan genoeg chemicaliën bevinden die zuurstof bevatten.

Tot de mogelijke kandidaten behoren de zogenaamde perchloraten, stabiele en giftige zouten die in de Martiaanse bodem worden aangetroffen. In principe zouden perchloraten onder invloed van de kosmische straling die de Rode Planeet bestookt, opgebroken moeten worden in reactievere componenten. En die bestanddelen zouden op hun beurt Okunnen vormen. Maar volgens de onderzoekers speelt dit proces zich met een snelheid af die een miljoenmaal lager ligt dan wat nodig zou zijn om een jaarlijkse piek in het zuurstofgehalte op Mars te veroorzaken.

Een andere kandidaat is waterstofperoxide, het instabiele neefje van water dat hier op aarde als ontsmettings- en bleekmiddel wordt gebruikt. Op Mars maakt waterstofperoxide, dat voortdurend in gasvorm wordt geproduceerd wanneer kooldioxide en waterdamp onder invloed van zonlicht worden opgebroken, slechts een klein percentage van de Martiaanse atmosfeer uit. Uit chemische computermodellen blijkt dat deze waterstofperoxide in de Martiaanse bodem terecht kan komen en zich tot een diepte van drie meter kan hechten aan andere deeltjes, waardoor er als het ware ondergrondse reservoirs van zuurstof worden gevormd.

Maar zelfs in de gunstigste scenario’s, waarbij de waterstofperoxide tien jaar lang in de bodem aanwezig blijft, kan dit proces volgens het team van Trainer slechts één tiende van de zuurstofmoleculen verklaren die tijdens de zuurstofpieken worden gemeten.

Het team keek ook opnieuw naar resultaten van de Viking-landers uit de jaren zeventig van de vorige eeuw, die ontdekten dat bij het bevochtigen van stukjes Martiaanse grond een verrassende hoeveelheid zuurstof vrijkwam. Maar Trainer en haar collega’s denken niet dat dit in direct verband staat met hun observaties. Het Viking-experiment werd uitgevoerd bij een temperatuur van tien graden Celsius, veel warmer dan de gemiddelde oppervlaktetemperatuur op Mars. En ook al kan de Martiaanse bodem op zeker moment zuurstof produceren, verklaart dat nog niet waarom er jaar in jaar uit een zuurstofpiek op de Rode Planeet wordt gemeten, zonder dat duidelijk is hoe die zuurstof elk jaar wordt aangevuld. “Het Viking-experiment geeft ons niet de boosdoener. Het gaat waarschijnlijk om een andere plaats delict,” zegt Timothy McConnochie, postdoconderzoeker aan de University of Maryland en medeauteur van het nieuwe onderzoek.

Exotische grond

Trainer en haar collega’s breken zich nog altijd het hoofd over mogelijke verklaringen. Zo wil Atreya nader onderzoeken hoe hoogenergetische deeltjes uit de kosmos chemische reacties zouden kunnen uitlokken in de bovenste meter van de Martiaanse bodem. Bethany Ehlmann, een planetologe van Caltech die niet bij de nieuwe studie was betrokken, zegt dat Martiaanse bodemsoorten reactiever zijn dan de gemiddelde bodem op aarde. “We begrijpen nog steeds niet goed waar de Martiaanse bodem precies uit bestaat; duidelijk is dat de samenstelling vergeleken met die op aarde vrij merkwaardig is, als het gaat om ijzer- en zwavelhoudende mineralen,” zegt zij. “Het lijkt erop dat deze bodemsoorten interessante eigenschappen hebben.”

Toekomstige missies zouden meer inzichten kunnen opleveren, vooral als daarbij meer metingen van de atmosfeer gedaan kunnen worden. Omdat Curiosity een hele reeks andere wetenschappelijke observaties moet uitvoeren, kon Trainers team slechts negentien datapunten door het hele Martiaanse jaar heen verkrijgen. Hoewel ze hiermee enig idee hebben van het patroon op lange termijn, kunnen ze er geen veranderingen op korte termijn uit afleiden. Wat zouden onderzoekers aantreffen als ze het zuurstof- en methaangehalte op Mars dagelijks of zelfs elk uur zouden kunnen meten?

“Dat zou ons heel veel meer inzicht bieden, dat zou fantastisch zijn,” zegt Germán Martínez, wetenschapper aan het Lunar and Planetary Institute en medeauteur van de nieuwe studie.

Wetenschappers zullen door elk nieuw onderzoek meer inzicht krijgen in de vraag hoe en hoeveel niet-biologische reacties bijdragen aan de samenstelling van de Martiaanse atmosfeer, waardoor ze steeds beter onderscheid kunnen maken tussen geologie en biologie.

“Op aarde zijn al die processen ‘overschreven’ door de effecten van onze biosfeer,” zegt Trainer. “Nu we ons op Mars richten, zijn we verrast door het gedrag van de zuurstof. Dat betekent dat er nog veel is dat we niet weten en dat we letterlijk en figuurlijk dieper moeten graven.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

Mysterieuze magnetische pulsen ontdekt op Mars

De nachtelijke verschijnselen horen bij de eerste ontdekkingen die werden gedaan met de Marslander InSight. Er werden ook aanwijzingen gevonden dat zich ver onder de oppervlakte van de rode planeet mogelijk een reservoir van vloeibaar water bevindt.

Eerste ‘Marsbeving’ geregistreerd door NASA-lander

Het is de eerste seismische schok op de Rode Planeet die ooit is geregistreerd – en zeer waarschijnlijk niet de laatste.
Lees meer