27 сентября в Science вышла серия из шести статей о результатах изучения марсианского грунта приборами Curiosity за первые 100 суток работы на поверхности планеты, а именно состава песчаной дюны Rocknest и камня Jake М.
    Пожалуй, наиболее громкий результат получен командой Лори Лешин (Laurie A.Leshin) из Ренсслеровского политехнического института с использованием комплексного прибора SAM (Sample Analysis at Mars). Исследователи проанализировали газовыделение из тонкозернистого песка, нагреваемого в печи до 835°С, с помощью газового хроматографа GC и лазерного спектрометра TLS. Основными газами оказались Н₂O, SO₂, СO₂ и O₂, причем наиболее обильным было выделение водяного пара, которого оказалось от 1.5 до 3% от массы образца. Таким образом, в принципе из большого ведра марсианского песка можно получить до литра воды!
    В то же время относительно малая концентрация и ход кривой освобождения Н₂O в зависимости от температуры указывают на то, что это была связанная вода из гидратированных соединений - вероятно, карбоната железа или магния. По соотношению изотопов водорода в водяном паре можно заключить, что молекулы воды попали в гидраты из современной атмосферы: в обоих случаях найден заметный избыток дейтерия. С меньшей уверенностью это же справедливо и для СO₂.
    Выделение кислорода из образцов совпало по времени с освобождением хлора, что свидетельствует в пользу разложения хлорноокисных соединений, например перхлоратов в количестве до 0.5%. Ранее они были известны только в северной полярной области Марса по измерениям КА Phoenix. Найдено также несколько простых органических соединений, однако нет уверенности в их марсианском происхождении.
    Рентгеновский анализ материала из дюны Rocknest с использованием рентгеновского диффрактометра XRD в составе комплексного прибора CheMin показал наличие 10 минералов, доля которых выше 1-2%: основные - плагиоклаз, оливин (форстерит), авгит и пижонит; в меньших количествах - калиевый полевой шпат, магнетит, кварц, ангидрит, гематит и ильменит. Кроме того, найдено неожиданно большое количество (29±14%) по массе аморфного материала, сходного с находимым на Земле в районе вулкана Мауна-Кеа на Гавайях. Эти результаты представлены научной группой Дэвида Биша (David L. Bish) из Университета Индианы в Блумингтоне.

Для увеличения нажмите на картинку!

Уступ Cooperstown, к которому ровер пришел на 440-й день пути

МАРСОХОД CURIOSITY

    Дэвид Блейк (David F. Blake) из Исследовательского центра имени Эймса с соавторами также изучали на примере Rocknest состав и процесс образования песчаных дюн. Выяснилось, что этот песчаный нанос имеет сложную историю и включает как частицы местного происхождения, так и более тонкую фракцию, которая, вероятно, распределяется марсианским ветром в региональных или даже глобальных масштабах. Впрочем, возможен и обратный вариант: источником тонкой фракции являются базальтовые породы, сходные или одинаковые на всей планете.

Для увеличения нажмите на картинку!

МАРСОХОД CURIOSITY

    С использованием данных альфа-рентгеновского спектрометра APXS и диффрактометра XRD установлено, что пылевая фракция с частицами размером менее 150 мкм сходна по своему составу с пылью в районах работы марсоходов MER (Spirit и Opportunity). Она на 55% состоит из кристаллического материала базальтового происхождения и на 45% из аморфного - при рентгеновском анализе вещества. Аморфная фракция богата железом и бедна кремнием и содержит в себе обнаруженные аппаратурой SAM летучие вещества (вода, кислород, двуокись серы, углекислый газ, хлор) и тонкозернистые нанофазные оксиды железа, ранее описанные в базальтовых грунтах роверов MER.
    Интересно отметить, что содержание аморфного вещества по Блейку значительно выше, чем 29%, названные в отчете группы Биша «неожиданно большой долей».
    Результаты работы лазерного спектрометра ChemCam представил Пьер-Ив Меслен (Pierre-Yves Meslin) из Института астрофизических и планетологических исследований в Тулузе, Франция. Дистанционное зондирование грунта в 139 точках (свыше 10000 спектров) в зоне Rocknest и в других районах позволило, в частности, определить повсеместное присутствие водорода (то есть воды) в тонкой фракции основного состава. Кроме того, подтверждено сходство тонкой фракции грунта и взвешенной в атмосфере марсианской пыли. Что же касается грубой фракции (частицы размером 1 мм и более), то она кислая по своему составу (богата кремнием и алюминием) и сходна по составу с более крупными камнями по маршруту движения. По-видимому, именно их фрагментация дает крупнозернистую фракцию марсианского песка.
    Повсеместное присутствие водорода в спектрах ChemCam соответствует гидратации аморфной фазы, обнаруженной в грунте аппаратурой CheMin. Исследователи полагают, что именно она была ранее замечена с орбиты российским нейтронным спектрометром на КА Mars Odyssey. Спектрометр ChemCam не выявил заметного обмена водяным паром между грунтом и атмосферой Марса.
    Единственным пока хорошо изученным образцом изверженной породы стал крупный камень Jake Matijevic (в публикации - Jake М), некогда выброшенный на поверхность из глубин Марса и найденный ровером 18 сентября. Альфа-рентгеновский спектрометр APXS показал, что Jake М является представителем неизвестной до настоящего времени разновидности марсианской магмы, фракционированной и крайне щелочной по своему составу. Он существенно отличается от обычных богатых железом и бедных алюминием толеитовых базальтов, но очень сходен с земными изверженными породами, в особенности с муджиэритом, типичным для океанских островов и рифтовых зон Земли. Таковы выводы научной группы Эдварда Столпера (Edward M.Stolper) из Калифорнийского технологического института.


    19 сентября в Science Express появилась громкая публикация группы Кристофера Вебстера (Christopher R. Webster) из Лаборатории реактивного движения по результатам поиска метана в атмосфере Марса.
    При анализе шести образцов лазерным спектрометром TLS в составе комплексного прибора SAM, проведенном в период с октября 2012 по июнь 2013 г., что соответствует периоду от весны до конца лета на Марсе, не было выявлено метана на уровне, превышающем возможную погрешность прибора. Пересчитав локальные результаты на всю атмосферу планеты, ученые получили верхнюю границу концентрации СН₄ на уровне 1.3 частей на миллиард, что соответствует темпу поступления метана порядка 10-20 тонн в год - примерно в 50 млн раз меньше, чем на Земле.
    Результат неожиданный и отчасти загадочный, так как метан в атмосфере Красной планеты неоднократно регистрировался и с Земли, и со спутника Mars Express в количестве до 45 частей на миллиард, и даже после усреднения по всей атмосфере концентрация этого газа превышала определенный группой Вебстера предел как минимум вшестеро.
    Вопрос о метане представляется весьма важным. Этот газ не может существовать в атмосфере Марса дольше нескольких столетий, так как разлагается под действием солнечного ультрафиолета. Наличие метана означает наличие источника - геологического или биологического - и мотивирует ученых и администраторов космической программы на его поиск. Отсутствие метана, если оно будет доказано, объективно снижает интерес к исследованиям Марса.
    Впрочем, руководитель программы исследования Марса в NASA Майкл Мейер считает, что не все еще потеряно. «Этот важный результат... снижает вероятность существования в настоящее время метаногенных марсианских микроорганизмов, - говорит он, - но при этом рассматривается лишь один тип метаболизма. Как мы знаем, на Земле есть множество разновидностей микробов, которые не производят метан».
    «Хотя астрономические и спутниковые данные вызывают много вопросов, делать вывод, что на Марсе метана не было вообще, все же нельзя», - прокомментировал результаты коллег Олег Кораблёв из Института космических исследований РАН.
    Что же касается группы Вебстера, то она планирует повторить измерения в режиме сбора метана, что позволит значительно снизить порог чувствительности и обнаружить меньшую его концентрацию.
    19 июля Science опубликовала статьи Кристофера Вебстера и Пола Махаффи (Paul R. Mahaffy) с соавторами о составе современной атмосферы Марса и об обстоятельствах потери первоначальной. Их выводы основаны на измерениях общего содержания и изотопного состава составляющих при помощи универсального анализатора SAM в первые месяцы работы Curiosity на Марсе - с августа по ноябрь 2012 г.
    По данным этих измерений, атмосфера Красной планеты содержит: углекислого газа - 96.0%, аргона ⁴⁰Аг - 1.93%, молекулярного азота - 1.89%, кислорода - 0.145%, окиси углерода - менее 0.1%. Исследователи показали излишек тяжелых изотопов углерода и кислорода в молекулах углекислого газа, являющегося основным компонентом атмосферы планеты, по сравнению с первичным материалом, из которого формировался Марс. В частности, были получены практически идентичные соотношения ¹³С/¹²С по данным масс-спектрометра QMS и лазерного спектрометра TLS - превышение нормы (базовое значение 0,0112372) составило примерно 45 тысячных.
    Аналогичные данные были получены и для изотопов водорода в молекулах водяного пара. Это не только подтверждает факт потери первоначальной, более плотной атмосферы Марса, но и позволяет сделать выводы о механизме ее утраты. Очевидно, процесс потери происходил в ее верхних слоях, где более легкие молекулы уходили в межпланетное пространство легче, чем более тяжелые, а вариант связывания компонентов атмосферы при взаимодействии с поверхностью планеты следует отвергнуть.
    Ранее аналогичные данные были получены по газовым включениям в метеоритах, попавших на Землю с Марса. Интересно отметить, что измеренное соотношение ⁴⁰Аг/^3бАг составило 1.9-10³ и соответствует «метеоритному», но оно оказалось в 1.6 раза ниже, чем определенное в 1976 г. масс-спектрометром на КА Viking. Изменилось за эти 37 лет - увеличилось в 1.7 раза! - и соотношение аргона ⁴⁰Аг и азота. В целом прямые измерения в атмосфере Красной планеты более точны и позволяют уточнить «метеоритные» оценки и модели потери атмосферы.
    Специализированный КА MAVEN для изучения атмосферы Марса и ее прошлого должен быть запущен в ноябре 2013 г.


    16 октября в Geophysical Research Letters появилась публикация, закрывающая вопрос, попадало ли в прошлом марсианское вещество на Землю. Правильный ответ «да». Ключ к решению - точное измерение соотношения изотопов аргона ^3бАг/³⁸Аг в атмосфере Марса, выполненное в 231-й и 341-й солы.
    Аргон - инертный газ, не вступающий в химические реакции, он не фиксируется в грунте и поэтому легко доступен для изучения. Равновесное соотношение его нерадиогенных изотопов задается историей нуклеосинтеза и должно составлять примерно 5.3-5.6. Таково оно на Земле и в атмосферах Солнца и Юпитера и таким же было бы на Марсе, если бы Красная планета сохранила первоначальную плотную газовую оболочку. Однако в процессе утечки атмосферы Марса в межпланетное пространство более легкий изотоп ^3бАг терялся легче, и доля более тяжелого должна была расти.
    Специалисты давно обратили внимание на аномальные результаты изотопного анализа газовых включений в нескольких метеоритах, найденных на Земле: у них измеренное соотношение ^3бАг/³⁸Аг составляло от 3.5 до 4.6. Это и ряд других особенностей заставляли думать, что метеориты группы SNC (шерготтиты, нахлиты и шассиньиты) - не что иное, как фрагменты марсианских пород, выбитых с поверхности планеты при падении более крупных тел. Большая их часть и сейчас находится в космосе на орбитах вокруг Солнца, но какой-то микроскопической доле «повезло» окончить свой многомиллионный путь на Земле. Одному из них, с обозначением ALH84001, особенно «повезло»: в августе 1996 г. была опубликована и произвела сенсацию научная работа, в которой определенные формы окаменелостей интерпретировались как остатки древних марсианских бактерий.

Эквивалентное количество воды в верхних 60 см грунта Марса по результатам измерения спектрометром ДАН в июле-сентябре 2013 г. По вертикальной оси - массовая доля воды (в процентах), по горизонтальной - пройденное расстояние в метрах. Иллюстрация к докладу Р.О. Кузьмина (ИКИ РАН)

МАРСОХОД CURIOSITY

    В 1976 г. американские посадочные аппараты Viking впервые измерили соотношение ^3бАг/³⁸Аг на Марсе, но диапазон возможных значений был от 4 до 7, что не позволяло сделать уверенных выводов. И вот теперь, как сообщила научная группа Сушила Атрейя (Sushil К. Atreya) из Университета Мичигана в Энн-Арборе, с использованием квадрупольного масс-спектрометра прибора SAM на борту ровера Curiosity удалось получить точное соотношение изотопов ^3бАг/³⁸Аг для современной марсианской атмосферы: оно равно 4.2±0.1 и находится точно «в вилке» между крайними значениями для предполагаемых марсианских метеоритов на Земле.
    Другие изотопы (¹⁴N/¹⁵N, ¹²С/¹³С, H/D и ^1бО/¹⁸О) также демонстрируют сдвиг от равновесного соотношения, связанный с потерей атмосферы Марса, но для аргона он наиболее нагляден и указывает на потерю как минимум 50%, а вероятно, от 85 до 95% первоначальной газовой оболочки. «Это было самое важное измерение, которое мы хотели выполнить с помощью SAM», - заявил С. Атрейя.
    Итак, теперь точно известно, что марсианское вещество уже находится в руках ученых, хотя и несет в себе следы длительного воздействия земной атмосферы и гидросферы.


    31 мая в Science вышел материал Кэри Цейтлина (Cary Zeitlin) и соавторов по результатам измерения радиационной обстановки на трассе перелета Земля - Марс в интересах проектирования пилотируемой экспедиции на Марс.
    Датчики аппаратуры RAD, отчасти защищенные корпусом КА, определяли мощность дозы от двух основных радиационных источников - галактических космических лучей и энергичных солнечных частиц. Среднесуточная доза оказалась равна 1.8 мЗв (0.18 бэр), причем вклад галактических лучей составил 97%, а вклад солнечных частиц в период спокойного Солнца и внутри корпуса КА не превысил 3%.
    Исходя из этого была рассчитана эквивалентная доза для человека для реалистичного с использованием современной техники полета к Марсу и обратно продолжительностью в один год. Она оказалась равной 0.66+0.12 Зв, или 66+12 бэр.
    С чем можно сопоставить эту величину? Доза в 66 бэр находится ниже нижнего уровня развития лучевой болезни, обычно принимаемого равным 100 бэр, и влечет лишь кратковременные незначительные изменения в крови. Что касается долговременных последствий, то постепенно набранная доза в 100 бэр (1 Зв) увеличивает на 5% риск смертельного онкологического заболевания. Это выше, чем принятый в настоящее время риск для астронавтов NASA, выполняющих полет на околоземной орбите (3%). Определенная исходя из данных MSL эквивалентная доза, по-видимому, близка к этому порогу.
    В России в соответствии с Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) годовое облучение персонала атомных электростанций (АЭС) не должно превышать 2 бэр (0.02 Зв), а населения - 0.5 бэр. Облучение такими дозами в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами. Предельно допустимая доза однократного аварийного облучения установлена на уровне 25 бэр. Таким образом, полет на Марс соответствует 33 годовым дозам для работника АЭС, или примерно 2.5 предельным однократным дозам.
    В то же время очевидно, что экспедиция на Марс, в которой человеку предстоит участвовать один раз в жизни, не может подчиняться ни стандартным ограничениям для околоземных полетов, ни нормам для работников атомных предприятий. Суточная доза на уровне 0.18 бэр, скорее всего, вообще не будет сказываться на самочувствии участников такой экспедиции, а риск получения в перспективе смертельного заболевания явно меньше риска гибели в ходе полета на Марс и обратно от иных причин. Таким образом, радиационное воздействие в ходе пилотируемого полета на Марс не может считаться препятствием для его осуществления.