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Metano natural en Marte

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

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 el vulcanismo o la actividad hidrotermal . [2] [3] [4] [5] [6] [7]

Desde 2004, se han reportado trazas de metano (que van desde 60 ppbv hasta debajo del límite de detección (< 0,05 ppbv)) en varias misiones y estudios observacionales. [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 bajo estudio. [1] [13] Siempre que se detecta metano, se elimina rápidamente de la atmósfera mediante un proceso eficiente, aunque desconocido. [14]

Historial de detecciones

Modelo de una molécula de metano (CH 4 )

El metano (CH 4 ) es químicamente inestable en la atmósfera oxidante actual 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 el gas continuamente.

La primera evidencia de metano en la atmósfera fue medida por la sonda 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 era estacional. [20] Se estima que Marte produce 270 toneladas de metano por año. [21] [22]

En 2011, los científicos de la NASA informaron sobre una búsqueda exhaustiva utilizando espectroscopia infrarroja de alta resolución desde observatorios terrestres de gran altitud (VLT, Keck-2, NASA-IRTF) para especies traza (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 utilizarse 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 Ajustable (TLS) de Curiosity en 2012 indicaron que no había metano —o menos de 5 ppb— en el lugar de aterrizaje , [25] [26] [27] calculado más tarde hasta una línea de base de 0,3 a 0,7 ppbv. [28] En 2013, los científicos de la NASA informaron de nuevo que no se había detectado metano más allá de una línea de base. [29] [30] [31] Pero en 2014, la NASA informó de que el rover Curiosity detectó un aumento de diez veces ('pico') de metano en la atmósfera que le rodea a finales de 2013 y principios de 2014. [10] Cuatro mediciones tomadas durante dos meses en este periodo promediaron 7,2 ppbv, lo que implica que Marte está produciendo o liberando metano episódicamente de una fuente desconocida. [10] Antes y después, las lecturas promediaron 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 un seguimiento puntual en esa área 20 horas antes de la detección de metano de Curiosity , así como 24 y 48 horas después de la detección, [15] y el TGO estaba realizando observaciones atmosféricas aproximadamente al mismo tiempo pero a 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 (que aterrizó en febrero de 2021) y el rover Rosalind Franklin (que llegará a la atmósfera en 2028 [42] ) no estarán equipados para analizar el metano atmosférico ni sus isótopos, [43] [44] por lo que la misión de retorno de muestras a Marte propuesta a mediados de la década de 2030 parece la primera en la que se podría analizar una muestra para diferenciar un origen geológico de uno biológico. [44]

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 las reacciones agua -roca, la radiólisis del agua y la formación de pirita , todos los cuales producen H2 que luego podría generar metano y otros hidrocarburos a través de la síntesis de Fischer-Tropsch con CO y CO2 . [ 45] 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. [46] Las condiciones requeridas para esta reacción (es decir, alta temperatura y presión) no existen en la superficie, pero pueden existir dentro de la corteza. [47] [48] 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 de rocas serpentinizadas puede ser posible en Marte. [49] Otra posible fuente geofísica podría ser el metano antiguo atrapado en hidratos de clatrato que pueden liberarse ocasionalmente. [50] Suponiendo que el entorno de Marte primitivo fuera frío, la criosfera podría atrapar metano en forma de clatratos en una forma estable en profundidad, que podría exhibir una liberación esporádica. [51]

En la Tierra moderna, el vulcanismo es una fuente menor de emisión de metano, [52] 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 el vulcanismo en Marte sea poco probable que sea la fuente de metano. [53] [54] Aunque son posibles fuentes geológicas de metano como la serpentinización , la falta de vulcanismo actual , actividad hidrotermal o puntos calientes [55] no es favorable para el metano geológico.

También se ha propuesto que el metano podría ser repuesto por los meteoritos que entran en la atmósfera de Marte, [56] pero los investigadores del Imperial College de Londres descubrieron que los volúmenes de metano liberados de esta manera son demasiado bajos para mantener los niveles medidos del gas. [57] Se ha sugerido que el metano se produjo por reacciones químicas en meteoritos, impulsadas por el calor intenso durante la entrada a través de la atmósfera. Aunque una investigación publicada en diciembre de 2009 descartó esta posibilidad, [58] una investigación publicada en 2012 sugirió que una fuente podría ser compuestos orgánicos en meteoritos que se convierten en metano por la radiación ultravioleta . [59]

Las pruebas de laboratorio han demostrado que se pueden producir explosiones de metano cuando una descarga eléctrica interactúa con hielo de agua y CO 2 . [60] [61] Las descargas de la electrificación de partículas de polvo de tormentas de arena y remolinos de polvo en contacto con hielo de permafrost pueden producir alrededor de 1,41×10 16 moléculas de metano por julio de energía aplicada. [60]

Los modelos fotoquímicos actuales no pueden explicar la aparente rápida variabilidad de los niveles de metano en Marte. [62] [63] Las investigaciones sugieren que la vida útil implícita de destrucción de metano es tan larga como ≈ 4 años terrestres y tan corta como ≈ 0,6 años terrestres. [64] [65] Esta inexplicable y rápida tasa de destrucción también sugiere una fuente de reposición muy activa. [66] Un equipo del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica sospecha que el metano detectado por el rover Curiosity puede haber sido liberado desde un área cercana llamada Formación Medusae Fossae ubicada a unos 500 km al este del cráter Gale. La región está fracturada y es probable que sea de origen volcánico. [67]

Biogénico

Los microorganismos vivos , como los metanógenos , son otra fuente posible, pero no se ha encontrado 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
2yo
6) generación. La observación espectroscópica terrestre a largo plazo no encontró estas moléculas orgánicas en la atmósfera marciana. [23] Dadas las prolongadas vidas esperadas de algunas de estas moléculas, la emisión de compuestos orgánicos biogénicos parece ser extremadamente rara o actualmente inexistente. [23]

La reducción del 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 CO2 con el hidrógeno para producir metano está asociada a la generación de un gradiente electroquímico a través de la membrana celular , que se utiliza para generar ATP mediante quimiosmosis . En cambio, las plantas y las algas obtienen su energía de la luz solar o de los nutrientes.

La medición de la relación entre los niveles de hidrógeno y metano en Marte puede ayudar a determinar la probabilidad de vida en Marte . [68] [69] [70] Una baja relación 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, [68] pero las relaciones observadas en la atmósfera marciana inferior fueron "aproximadamente 10 veces" más altas "lo que sugiere que los procesos biológicos pueden no ser responsables del CH 4 observado ". [68]

Desde el descubrimiento de metano en la atmósfera en 2003, algunos científicos han estado diseñando modelos y experimentos in vitro para probar el crecimiento de bacterias metanogénicas en suelo marciano simulado, donde las cuatro cepas metanógenas probadas produjeron niveles sustanciales de metano, incluso en presencia de 1,0% en peso de sal de perclorato . [71] 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 entornos subterráneos en Marte. [72] Si la vida marciana microscópica está produciendo metano, probablemente resida muy por debajo de la superficie, donde todavía está lo suficientemente caliente como para que exista agua líquida . [73]

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 . [72]

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] [74]

Incluso si las misiones del rover determinan que la vida marciana microscópica es la fuente estacional del metano, las formas de vida probablemente residen muy por debajo de la superficie, fuera del alcance del rover. [75]

Sumideros potenciales

Inicialmente se pensó que el metano es químicamente inestable en una atmósfera oxidante con radiación UV y por lo tanto 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 oxidación atmosférica, lo que sugiere un proceso físico-químico eficiente en la superficie que "consume" metano, genéricamente llamado "sumidero". [76] [77]

Una hipótesis postula que el metano no se consume en absoluto, sino que se condensa y se evapora estacionalmente a partir de clatratos . [78] Otra hipótesis es que el metano reacciona con el cuarzo de arena superficial (dióxido de silicio SiO
2) y olivino para formar Si –  CH covalente
3Los investigadores demostraron que estos sólidos pueden oxidarse y los gases ionizarse durante los procesos de erosión. De esta manera, el metano ionizado reacciona con las superficies minerales y se une a ellas. [ 80] [81 ]

Imágenes

Véase también

Referencias

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