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Metano natural en Marte

Se desconoce la fuente del metano de Marte; su detección se muestra aquí.

La presencia reportada de metano en la atmósfera de Marte es de interés para muchos geólogos y astrobiólogos , [1] ya que el metano puede indicar la presencia de vida microbiana en Marte , o un proceso geoquímico como vulcanismo o actividad hidrotermal . [2] [3] [4] [5] [6] [7]

Desde 2004, se han informado trazas de metano (que van desde 60 ppbv hasta debajo del límite de detección (< 0,05 ppbv)) en varias misiones y estudios de observación. [8] [9] [10] [11] [12] La fuente de metano en Marte y la explicación de la enorme discrepancia en las concentraciones de metano observadas aún se desconocen y están en estudio. [1] [13] Siempre que se detecta metano, se elimina rápidamente de la atmósfera mediante un proceso eficiente, aún desconocido. [14]

Historial de detecciones

Modelo de una molécula de metano (CH 4 )

El metano (CH 4 ) es químicamente inestable en la actual atmósfera oxidante de Marte. Se descompondría rápidamente debido a la radiación ultravioleta (UV) del Sol y a las reacciones químicas con otros gases. Por lo tanto, una presencia persistente o episódica de metano en la atmósfera puede implicar la existencia de una fuente para reponer continuamente el gas.

La primera evidencia de metano en la atmósfera fue medida por el orbitador Mars Express de la ESA con un instrumento llamado Espectrómetro Planetario de Fourier . [15] En marzo de 2004, el equipo científico de Mars Express sugirió la presencia de metano en la atmósfera en una concentración de aproximadamente 10 ppbv. [16] [17] [18] [19] Esto fue confirmado poco después por tres equipos de telescopios terrestres, aunque se midieron grandes diferencias en las abundancias entre las observaciones tomadas en 2003 y 2006. Esta variabilidad espacial y temporal del gas sugiere que el metano estaba concentrado localmente y probablemente estacional. [20] Se estima que Marte produce 270 toneladas de metano al año. [21] [22]

En 2011, los científicos de la NASA informaron de una búsqueda exhaustiva utilizando espectroscopía infrarroja de alta resolución desde observatorios terrestres de gran altitud (VLT, Keck-2, NASA-IRTF) de trazas de especies (incluido el metano) en Marte, derivando límites superiores sensibles para metano (< 7 ppbv), etano (< 0,2 ppbv), metanol (< 19 ppbv) y otros ( H 2 CO , C 2 H 2 , C 2 H 4 , N 2 O, NH 3 , HCN, CH 3 Cl, HCl, HO 2 – todos con límites en niveles de ppbv). [23]

El rover Curiosity detectó una variación estacional cíclica en el metano atmosférico.

En agosto de 2012, el rover Curiosity aterrizó en Marte. Los instrumentos del rover son capaces de realizar mediciones precisas de la abundancia, pero no pueden usarse para distinguir entre diferentes isotopólogos del metano y, por lo tanto, no pueden determinar si su origen es geofísico o biológico. [24] Sin embargo, el Trace Gas Orbiter (TGO) puede medir estas proporciones y señalar su origen. [15]

Las primeras mediciones con el espectrómetro láser sintonizable (TLS) de Curiosity en 2012 indicaron que no había metano —o menos de 5 ppb— en el lugar de aterrizaje , [25] [26] [27] calculado posteriormente a una línea base de 0,3 a 0,7 ppbv. [28] En 2013, los científicos de la NASA nuevamente informaron que no se había detectado metano más allá de una línea de base. [29] [30] [31] Pero en 2014, la NASA informó que el rover Curiosity detectó un aumento diez veces mayor ('pico') de metano en la atmósfera que lo rodeaba a finales de 2013 y principios de 2014. [10] Cuatro mediciones tomadas en dos Los meses de este período promediaron 7,2 ppbv, lo que implica que Marte está produciendo o liberando episódicamente metano de una fuente desconocida. [10] Antes y después, las lecturas promediaban alrededor de una décima parte de ese nivel. [32] [33] [10] El 7 de junio de 2018, la NASA anunció la confirmación de una variación estacional cíclica en el nivel de fondo de metano atmosférico. [34] [35] [36] La mayor concentración de metano detectada in situ por el rover Curiosity mostró un pico a 21 ppbv, durante un evento a fines de junio de 2019. [37] [38] El orbitador Mars Express estaba realizando seguimiento puntual en esa área 20 horas antes de la detección de metano del Curiosity , así como 24 y 48 horas después de la detección, [15] y el TGO estaba realizando observaciones atmosféricas aproximadamente al mismo tiempo pero en una latitud más alta. [15]

La misión Indian Mars Orbiter , que entró en órbita alrededor de Marte el 24 de septiembre de 2014, está equipada con un interferómetro Fabry-Pérot para medir el metano atmosférico, pero después de entrar en la órbita de Marte se determinó que no era capaz de detectar metano, [39] [ 40] : 57  por lo que el instrumento fue reutilizado como un mapeador de albedo . [39] [41] En abril de 2019, el TGO mostró que la concentración de metano está por debajo del nivel detectable (< 0,05 ppbv). [12] [19]

El rover Perseverance (aterrizado en febrero de 2021) y el rover Rosalind Franklin (previsto para 2023) no estarán equipados para analizar el metano atmosférico ni sus isótopos, [42] [43] por lo que parece que la misión propuesta de retorno de muestras a Marte a mediados de la década de 2030 lo más temprano que se podría analizar una muestra para diferenciar un origen geológico de uno biológico. [43]

Fuentes potenciales

Posibles fuentes y sumideros de metano en Marte.

Geofísico

Los principales candidatos para el origen del metano de Marte incluyen procesos no biológicos como reacciones agua -roca, radiólisis del agua y formación de pirita , todos los cuales producen H 2 que luego podría generar metano y otros hidrocarburos mediante la síntesis de Fischer-Tropsch con CO y CO2 . [44] También se ha demostrado que el metano podría producirse mediante un proceso que involucra agua, dióxido de carbono y el mineral olivino , que se sabe que es común en Marte. [45] Las condiciones requeridas para esta reacción (es decir, alta temperatura y presión) no existen en la superficie, pero pueden existir dentro de la corteza. [46] [47] La ​​detección del subproducto mineral serpentinita sugeriría que este proceso está ocurriendo. Un análogo en la Tierra sugiere que la producción y exhalación de metano a baja temperatura a partir de rocas serpentinizadas puede ser posible en Marte. [48] ​​Otra posible fuente geofísica podría ser el antiguo metano atrapado en hidratos de clatrato que pueden liberarse ocasionalmente. [49] Bajo el supuesto de un ambiente frío temprano en Marte, una criosfera podría atrapar metano como clatratos en una forma estable en la profundidad, que podría exhibir una liberación esporádica. [50]

En la Tierra moderna, el vulcanismo es una fuente menor de emisión de metano [51] y suele ir acompañado de gases de dióxido de azufre. Sin embargo, varios estudios de gases traza en la atmósfera marciana no han encontrado evidencia de dióxido de azufre en la atmósfera marciana, lo que hace que sea poco probable que el vulcanismo en Marte sea la fuente de metano. [52] [53] Aunque las fuentes geológicas de metano, como la serpentinización , son posibles, la falta de vulcanismo actual , actividad hidrotermal o puntos críticos [54] no es favorable para el metano geológico.

También se había propuesto que el metano podría reponerse mediante meteoritos que entraran en la atmósfera de Marte, [55] pero investigadores del Imperial College de Londres descubrieron que los volúmenes de metano liberados de esta manera son demasiado bajos para sostener los niveles medidos del gas. [56] Se ha sugerido que el metano fue producido por reacciones químicas en los meteoritos, impulsadas por el intenso calor durante su entrada a la atmósfera. Aunque una investigación publicada en diciembre de 2009 descartó esta posibilidad, [57] una investigación publicada en 2012 sugirió que una fuente pueden ser compuestos orgánicos en meteoritos que se convierten en metano mediante radiación ultravioleta . [58]

Las pruebas de laboratorio han demostrado que se pueden producir ráfagas de metano cuando una descarga eléctrica interactúa con agua helada y CO 2 . [59] [60] Las descargas de la electrificación de partículas de polvo de tormentas de arena y remolinos de polvo en contacto con el hielo del permafrost pueden producir aproximadamente 1,41 × 10 16 moléculas de metano por julio de energía aplicada. [59]

Los modelos fotoquímicos actuales no pueden explicar la aparente rápida variabilidad de los niveles de metano en Marte. [61] [62] Las investigaciones sugieren que la vida útil implícita de destrucción del metano es tan larga como ≈ 4 años terrestres y tan corta como ≈ 0,6 años terrestres. [63] [64] Esta rápida tasa de destrucción inexplicable también sugiere una fuente de reposición muy activa. [65] Un equipo del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica sospecha que el metano detectado por el rover Curiosity puede haber sido liberado de un área cercana llamada Formación Medusae Fossae ubicada a unos 500 km al este del cráter Gale. La región está fracturada y probablemente sea de origen volcánico. [66]

biogénico

Los microorganismos vivos , como los metanógenos , son otra posible fuente, pero no se ha encontrado ninguna evidencia de la presencia de tales organismos en Marte. En los océanos de la Tierra, la producción biológica de metano tiende a ir acompañada de etano ( C
2h
6) generación. La observación espectroscópica de larga duración desde tierra no encontró estas moléculas orgánicas en la atmósfera marciana. [23] Dada la larga vida útil esperada para algunas de estas moléculas, la emisión de sustancias orgánicas biogénicas parece ser extremadamente rara o actualmente inexistente. [23]

La reducción de dióxido de carbono a metano por reacción con hidrógeno se puede expresar de la siguiente manera:

(∆G˚' = -134 kJ/mol CH 4 )

Esta reacción del CO 2 con el hidrógeno para producir metano se combina con la generación de un gradiente electroquímico a través de la membrana celular , que se utiliza para generar ATP mediante quimiosmosis . Por el contrario, las plantas y las algas obtienen su energía de la luz solar o de nutrientes.

Medir la proporción entre los niveles de hidrógeno y metano en Marte puede ayudar a determinar la probabilidad de vida en Marte . [67] [68] [69] Una proporción baja de H 2 /CH 4 en la atmósfera (menos de aproximadamente 40) puede indicar que una gran parte del metano atmosférico podría atribuirse a actividades biológicas, [67] pero las proporciones observadas en La atmósfera inferior de Marte era "aproximadamente 10 veces más alta", lo que sugiere que los procesos biológicos pueden no ser responsables del CH 4 observado . [67]

Desde el descubrimiento de metano en la atmósfera en 2003, algunos científicos han estado diseñando modelos y experimentos in vitro que prueban el crecimiento de bacterias metanogénicas en suelo marciano simulado, donde las cuatro cepas de metanógeno probadas produjeron niveles sustanciales de metano, incluso en presencia de 1,0 peso. % sal de perclorato . [70] Los metanógenos no requieren oxígeno ni nutrientes orgánicos, no son fotosintéticos, utilizan hidrógeno como fuente de energía y dióxido de carbono (CO 2 ) como fuente de carbono, por lo que podrían existir en ambientes subterráneos de Marte. [71] Si la vida microscópica marciana está produciendo metano, probablemente reside muy por debajo de la superficie, donde todavía está lo suficientemente caliente como para que exista agua líquida . [72]

Una investigación de la Universidad de Arkansas publicada en 2015 sugirió que algunos metanógenos podrían sobrevivir en la baja presión de Marte en un entorno similar a un acuífero líquido subterráneo en Marte. Las cuatro especies analizadas fueron Methanothermobacter wolfeii , Methanosarcina barkeri , Methanobacterium formicicum y Methanococcus maripaludis . [71]

Un equipo dirigido por Gilbert Levin sugirió que ambos fenómenos (producción y degradación de metano) podrían explicarse por una ecología de microorganismos productores y consumidores de metano. [4] [73]

Incluso si las misiones del rover determinan que la vida microscópica marciana es la fuente estacional de metano, las formas de vida probablemente residen muy por debajo de la superficie, fuera del alcance del rover. [74]

Sumideros potenciales

Inicialmente se pensó que el metano era químicamente inestable en una atmósfera oxidante con radiación ultravioleta, por lo que su vida en la atmósfera marciana debería ser de unos 400 años, [13] pero en 2014 se concluyó que los fuertes sumideros de metano no están sujetos a la atmósfera. oxidación, sugiriendo un eficiente proceso físico-químico en la superficie que "consume" metano, genéricamente llamado "sumidero". [75] [76]

Una hipótesis postula que el metano no se consume en absoluto, sino que se condensa y se evapora estacionalmente a partir de clatratos . [77] Otra hipótesis es que el metano reacciona con la arena de la superficie que cae (dióxido de silicio SiO
2) y olivino para formar Si –  CH covalente
3cautiverio. [78] Los investigadores demostraron que estos sólidos pueden oxidarse y los gases se ionizan durante los procesos de erosión. Así, el metano ionizado reacciona con las superficies minerales y se adhiere a ellas. [79] [80]

Imágenes

Ver también

Referencias

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