Освоение Марса

[AlexAV]

Выбросы метана на Марсе фиксируют. Скорее всего они именно вулканического происхождения, потому в отдельные годы его много, а потом мало.

Больше на артефакт похоже. Метан в атмосфере живёт довольно долго. На Земле 12 лет, на Марсе (при практическом отсутствии кислорода) точно не меньше. А здесь какие-то очень резкие скачки.

[AlexAV]

Но соотношение СО/N2, если верить графику, сохраняется. Но если скорость убегания N2 из атмосферы Марса не превышает скорости убегания СО2, тогда ведь всё становится ещё пессимистичнее, чем я предполагал.

При этом однако надо помнить, что изотопный сдвиг по углероду и кислороду очень незначителен. Т.е. если значительная часть азота диссипировала, то количество диссипированного углекислого газа по сравнению с его запасами на планете невелико. Это возможно если только на поверхности планеты существуют депо углекислого газа по объёму существенно превышающие его количество в атмосфере. Сухой лёд на полюсах, газовые клатраты в вечной мерзлоте и т.д. (известняки здесь не в счёт, т.к.  реакция обмена углеродом атмосферного углекислого газа с ними затруднена). Иначе этот феномен объяснить невозможно.

Если бы на Марсе в эпоху жидкой гидросферы было связано много СО2, то сейчас бы соотношение СО2 к N2 не равнялось бы приблизительно венерианскому (на Марсе % азота даже несколько меньше).

На самом деле совершенно ниоткуда не следует, что соотношение азот/углекислый газ там было таким же как на Венере. Углекислого газа могло быть исходно в относительном вырожении больше.

арс всё время баллансировал на грани полного ледниковья, водоёмы имели характер приледниковых временных озёр и морей.

Здесь есть некая проблема. В тот период, когда на Марсе существовала жидкая вода, светимость Солнца была на 40% ниже современной. Для того чтобы при столь низкой светимости на орбите марса поднять температуру до уровня плавления льда (даже на экваторе) требуется очень солидная парниковая атмосфера. Т.е. даже современной атмосферы Земли для этого было-бы маловато, здесь требуется как минимум несколько бар. 

[AlexAV]

Поискал работы, где кто-нибудь более-менее строго посчитал бы диссипацию марсианской атмосферы.

Вот есть здесь: Павлов А.К. НЕТЕПЛОВАЯ ДИССИПАЦИЯ, ЭКЗОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ И "ПЕРВИЧНЫЕ" ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ В АТМОСФЕРАХ ПЛАНЕТ// дис. канд. физ-мат. наук

Оттуда:

Для кислорода скорость диссипации составляет ~ 10⁸ ат/см²с и общая масса диссипировавшего кислорода за время эволюции планеты ~200 г/см2.

(имеется ввиду конечно кислород углекислого газа). Т.е. за всю свою историю марс потерял 100 мбар углекислого газа. Слабое изменение изотопного состава углерода и кислорода при этом говорит, что количество углекислого газа в его литосфере во много раз больше этой величины (это даже не считая карбонатов, которые в изотопном обмене участвуют слабо).

По азоту:

Численные расчеты, выполненные в предположении, что концентрация N₂⁺ определяется реакциями (3.7), (3.8 ) показывает, что f = 1,6-1,8, если dn/dt = 0, а средняя скорость потерь составляет ~ 10⁵-10⁶ ат/см²с

Эта оценка естественно относится к современному составу атмосферы Марса.

[AlexAV]

А не мог ли азот быть погребенным в полярных шапках в виде оксидов или аммиака.

Могли (не обязательно именно в виде этих соединений).

В работе на которую я сослался чуть выше говорится, что наблюдаемы изотопный состав N-14/N-15 не может быть объяснён в предположении что весь азот первоначально был был в атмосфере, а затем постепенно диссипировал в космос. Т.е. в этом случае доля N-15 должно быдл бы быть существенно больше. И существуют две возможности:

1) Постепенная дегазация, т.е.  азот поступал и поступает в атмосферу из мантии с приблизительно одинаковой скоростью в течении последних миллиардов лет, и его концентрация в атмосфере квазистационарная, т.е. скорость поступления равна скорости диссипации.
2) "Катастрофическая" дегазация (т.е. большая часть газов из мантии выделилась ещё на ранних стадиях эволюции планеты и далее накопившейся в атмосфере азот постепенно диссипировал) при наличие стока в литосферу. При этом объяснить существующий изотопный состав азота можно только в том случае, если скорость захоронения азота в литосфере была в десять раз больше скорости его диссипации в космос.

Т.е. или количество азота поступившего в атмосферу в принципе мало и сильно растянуто по времени (причём продолжается до сих пор). Или 90% первоначального азота захоронено в литосфере Марса и только 10% ушло в космос.

[AlexAV]

Для уточнения, азот -тяжелый газ, пребывает в тропосфере, солнечный ветер (это же не водород/гелий) его из верхних слоев атмосферы вообще не выдувает. Откуда 10%?

Преобладающий механизм потери азота из атмосферы Марса довольно своеобразный. Т.е. следующий процесс

N₂ + hv = N₂⁺ + e (ионизация азота жёстким солнечным излучением)
N₂⁺ + e = N + N (при этом возникающие атомы азота имею скорость выше второй космической Марса)

[AlexAV]

Я думаю, все дело в том,  что влияние массы изотопа на улетучивание несколько преувеличено вами.

Не мной. Строгие расчёты подтверждают изотопную сепарацию. И говорят, что объяснить изотопный состав углекислого газа в атмосфере марса можно только в предположении, что его резервуар в литосфере много больше объёма потерь.

Замерзание гидросферы должно было произойти ещё при весьма солидной углекислотной атмосфере, и после того она никак не могла в значительной степени (т.е. в большей степени, чем улетучивание) связаться породами.

Нет. Сепарация получается достаточно сильной и по кислороду и по углероду и по азоту. При высоком вкладе диссипации содержание тяжёлого изотопа должно меняться в разы.

[AlexAV]

Атомарный азот? Хым....ну может быть, однако типовая длина его пробега в атмосфере должна быстро погасить скорость, кроме того (насколько, смутно) помню химию - атомарный азот очень быстро превращается в молекулярный N2? не?

Естественно речь о процессах на уровне высот экзобазы, т.е. где длинна свободного пробега молекулы становится больше постоянной высот.

[AlexAV]

Так и я о том же самом, нет азота наверху, он у поверхности стелиться

Ну так из-за турбулентного перемешивания вплоть до термосферы состав атмосферы от высоты вообще практически не зависит. Дальше идёт сепарация по массе, но всё же она конечно не абсолютная, т.е. нельзя сказать что на кой-то высоте компонент в результате неё вообще встречаться не будет.

[AlexAV]

Тут либо погрешность

Нет, результат подтверждён несколькими аппаратами независимо.

Тут либо погрешность, либо соотношение изотопов несколько отличается изначально.

Первичное соотношение изотопов уж точно достаточно стабильно во всей солнечной системе.

Так а как связался весь СО2 после замерзания гидросферы? Значит он и сейчас продолжает связывается?

Термодинамически в условиях Марса этот процесс не запрещен, а значит будет течь, пусть и очень медленно. Опять же речь о масштабах в сотни миллионов лет.

Если, например, несколько десятков миллионов лет назад, давление было в 2 раза выше, чем сейчас, допустим, 20 мбар, от чего общая картина на Марсе не сильно отличалась от сегодняшней, нужно допустить, что все эти 10 мбар тоже связывались при столь холодном и сухом климате, в противном случае опять наблюдалось бы отклонение в содержании изотопов.

Помимо образования карбонатов есть еще отложения сухого льда на полюсах и связывания углекислого газа в газовые гидраты (в условиях марса они термодинамически устойчивы). На самом деле после вымораживания воды последний процесс мог играть весьма значительную роль в захоронение углекислого газа.

[AlexAV]

То, что имеющиеся запасы СО2 могут быть только связаны, но никак не просто заморожены - это, по-моему, факт.

Вероятнее всего.

Да и вообще, зачем гадать, сколько именно СО2 осталось в породах. Всё равно это тупиковый путь. Если там, допустим, связано СО2 на 1 бар атмосферы, то как добыть все эти карбонаты полностью, отделить и сделать так, чтобы СО2 опять не связывался породами?

Извлечь из них углекислый газ (в масштабах целой планеты) фактически невозможно. А вот кислород... вполне. Карбонат-ион биодоступен.

[AlexAV]

Не, я лично не верю во всё это,  это выглядит всё слишком оптимистично, слишком благополучно. Я останусь при мнении, что захоронены не более 1 бар СО2, а все остальное улетучилось. И это верхний предел, а скорее всего гораздо меньше.

Тут надо не верить/не верить, а опираться на имеющиеся факты. Большая потеря углекислого газа в следствие диссипации едва ли в них вписывается. Что касается начального количества углекислого газа на планете, то здесь вопрос куда менее определённый. Нужны фактические данные о палеоклимате планеты. Пока здесь больше предположений чем фактов.

В любом случае существенно больше 100 мбар с учётом всех существующих механизмов диссипации Марс потерять не мог. Все остальное в его литосфере и захоронено. Если гипотеза тёплого Марса верна, то это подавляющая часть той первичной атмосферы (это явно во много раз больше потерянных 100 мбар).

Так вот, СО2 выбрасывался на Венере и на Земле с вулканической активностью (в общем, и до сих пор, наверное, выбрасывается) гораздо дольше, чем на Марсе, т.к. на последнем вулканическая активность была заведомо слабее и короче, чем на Венере и Земле, ввиду размеров, и уже давно практически отсутствует.

Верно. Но состав выделяющихся из мантии газов мог отличаться.

А 40K с периодом полураспада 1,248 миллиарда лет распадался в больших  количествах ещё долго после прекращения вулканической активности Марса. И из пород, из грунта, должен был постепенно выделятся благодаря своей инертности.

Не верно. Возникающий при этом аргон прочно удерживается кристаллической решёткой. Эффективно он может быть выделен только при переплавке, т.е. тем же вулканизмом. Опять количество калия в коре и верхней мантии очень сильно зависит от химического состава коры и мантии между которыми первоначальный калий может распределяться в различных пропорциях. Это столь неопределённый параметр, что оценки на его основе вообще не стоит воспринимать слишком серьёзно.

Модели диссипации в верхней атмосфере куда надёжнее.  

[AlexAV]

Почему "существенно больше 100 мбар с учётом всех существующих механизмов диссипации Марс потерять не мог"? Это эквивалентно очень разряженной начальной атмосфере, которая не могла служить одеялом для жидкой воды на поверхности и дождевых туч.

Скажем так, учёт всех известных и наблюдаемых сегодня механизмов диссипации атмосферы не может объяснить большие потери (в плане ухода вещества в космос).

Вообще если эта начальная атмосфера состояла преимущественно из углекислого газа, то её исчезновение особых проблем не вызывает. Углекислый газ достаточно быстро связывается литосферой в форме карбонатов. Причём даже самые консервативные оценки скорости этого процесса вполне могут объяснить потерю исходно достаточно плотной атмосферы. Т.е. атмосфера ушла, но не в космос, а в грунт.

[AlexAV]

Но тогда нам придется принять априори, что эволюции атмосфер Земли и Марса шли совершенно разными путями, Вам не кажется что в такой предпосылке присутствует сильная логическая натяжка?

Но на земле захоронение углекислоты шло тоже точно так же. В пластах известняков захоронено не менее 90 атм, а современное количество углекислого газа едва ли больше, чем на Марсе. Т.е. геохимические процессы с участием углекислого газа как раз весьма схожи. Отличие только в количестве азота.

Вероятно доля азота в вулканических газах там была изначально ниже, а общий объём дегазации меньше чем на Земле или Венере. В результате углекислый газ также как на Земле почти полностью ушёл в карбонаты, а небольшое (на несколько порядков меньшее чем на Земле) количество азота по действием ионизирующего излучения перешла в химические соединения и была поглощена литосферой (на земле схожие процессы тоже идут, но из-за очень большого количества азота земля потеряла только чуть менее его половины), некоторая часть ушла в космос. И получился Марс в современном виде.

Т.е. процессы совершенно аналогичные, только на Марсе быстрее из-за исходно меньшего количества газов.

[AlexAV]

Почему? первичная углекислота большей часть сейчас и на Земле и на Марсе находятся в связанном виде в литосфере.

Ну вот и прямые экспериментальные подтверждения появляются.

[AlexAV]

На Венере соединения азота не стабильны,

Согласен. На Венере всё просто, всё что из мантии вышло в атмосфере и находится. Ну за исключением воды. Она куда-то делась, и механизм её диссипации пока достаточно дискуссионный.

а на Земле они из-за высокой растворимости в воде быстро усваиваются живыми существами и рано или поздно в итоге опять переходят в N2

На Земле цикл азота вообще достаточно сложен. Т.е. есть два потока. В литосферу и из литосферы. Одновременно идёт связывание азота абиогенным путём (грозы, УФ-излучение) и по средствам биогенной азотфиксацией.  И одновременное есть сильный обратный поток в результате биогенной денитрификации. Плюс глобальная тектоника, которая за счёт цикла субдукции осадочных пород и выплавки базальтов возвращают часть газов (углекислого газа, азота) из осадков обратно в атмосферу. Изменение давления в атмосфере это баланс этих процессов.

На марсе проще. Есть только однонаправленный абиогенный сток из атмосферы в литосферу. А вот обратный поток (биогенная денитрификация, глобальная тектоника) отсутствуют.

Возможно наличие этих обратных потоков газов из литосферы (прежде всего глобальные тектонические процессы) и создали такие отличия Земли и Марса.

[AlexAV]

Не преуменьшайте возможность улетучивания газов. В статье, откуда брались графики и цифры, показано, что после диссоциации N2 атомы азота приобретают скорость даже превышающую 1-ю космическую. Так как молекулы СО2 состоят из атомов, сопоставимых по массе с атомами азота, то и тут ситуация похожая. Кроме того, случайные события, столкновения с другими атомами атмосферы и солнечного ветра могут легко выбить указанные атомы с экзосферы.

Здесь нужен количественный расчёт кинетики процесса. Более того, такие расчёты проведены и учёт всех возможных каналов диссипации даёт полную потерю атмосферы через диссипацию около 100 мбар, всё.

Вот от этой цифры и надо строить дальнейшие рассуждения (или обосновывать, что на ранних стадиях эволюции Марса существовали каналы диссипации, которых нет сегодня).

Остальное через обычные каналы диссипации (солнечный ветер, тепловую диссипацию, ион-молекулярные реакции и т.д.) объяснить невозможно.

Так как скорость улетучивания атмосферы процесс линейный (только с поправкой на высоту экзосферы, из-за чего имеется некоторое отклонение от линейности), то вся атмосфера должна была либо улетучится давно, если процесс быстрый, либо атмосферы должно было остаться больше (если процесс медленный).

Так пока больше похоже, что атмосфера в основном никуда не улетела, а захоронена в литосфере, а диссипация лишь небольшая поправка к этому. Процесс же захоронения имеет существенно более сложную зависимость от давления, чем диссипация (если диссипация определяется условиями на экзобазе, то захоронения - условиями в тропосфере).

Так вот, объяснение недостаточности разности изотопного состава углерода может заключатся в том, что сегодняшняя атмосфера - не остатки былой, а вторичная.

Где доказательства? Хотя гипотеза, что углекислый газ находится в динамическом равновесии право на жизнь конечно имеет. Вот только это равновесие не относительно диссипации (диссипация слишком мала и дала бы заметное искажение изотопного состава), а с захоронением  в карбонаты.

И тогда объясняется существование сегодняшней тонкой атмосферы даже при сильном улетучивании газов и при недостаточности разности 12С и 13С.

Не объясняет. В этой ситуации как раз различие в соотношении концентраций изотопа было бы весьма заметным (в несколько раз). Чего нет. Вот по азоту есть подозрение, что он находится в динамическом равновесии с процессом диссипации, а углекислый газ точно нет.

Кроме того, в начале существования Солнца оно должно было быть более активным, вспышки могли быть более мощными, и при столкновении солнечного ветра с экзосферой Марса, её атомы могли приобретать скорости, значительно превышающие 2-ю космическую, и тогда разница в массе между 12С и 13С оказывалась ещё менее существенным фактором.

Большая активность солнца в прошлом возможна. Однако на изменение изотопного соотношения при диссипации это будет влиять минимально.

[AlexAV]

Так как молекулы СО2 состоят из атомов, сопоставимых по массе с атомами азота, то и тут ситуация похожая.

Вообще откуда вы взяли, что диссипация на марсе имеет столь большие масштабы. Это не подтверждается ни результатами моделирования, ни прямыми наблюдениями.

Назовите доказательства кроме "оператора очевидности"!

Азота СЛИШКОМ мало! Его сейчас только немного больше, чем аргона, такого быть просто не может. Азота было гораздо больше, в десятки раз.

Где доказательства? Может Марс исходно был очень беден азотом.

Почему вы считаете, что геохимия различных планет должна быть полностью идентична? Вот летает рядом две малые планеты Веста и Церера. На одной воды вообще почти нет и много металлов, на другой сплошная вода. И что?

[AlexAV]

Кстати, в пользу теории об улетучивании в космос атмосферы Марса говорит сравнение его с Меркурием. На Меркурии 2-я космическая 4.25 км/с, на Марсе 5.03. Разница есть, но не настолько огромная. Тем не менее на Меркурии вообще отстутствуют газы в сколь-либо значимых количествах. Аргон, и даже криптон с ксеноном, которым даже при несколько меньшей гравитации Меркурия улетучится было бы очень тяжело. Тем не менее - улетучилось всё, что было.

Где Марс и где Меркурий? Плотность потока солнечного ветра и ионизирующего излучения от солнца не сопоставимы.

[AlexAV]

Кстати, в пользу теории об улетучивании в космос атмосферы Марса говорит сравнение его с Меркурием.

И пожалуй главное. Фактический поток вещества из атмосферы Марса измерен напрямую аппаратом Марс-Экспресс (http://grani.ru/Society/Science/m.77438.html). При этом темпы этих потерь оказались всего около 1кг/с. За миллиард лет это даст потери всего в 8 мбар.

Т.е. фактические наблюдения в целом находятся в согласии с теорией и показывают достаточно слабую (по абсолютной величине) диссипацию его атмосферы.

[AlexAV]

Криптон с ксеноном слишком тяжелые газы. При столкновении молекулы ксенона с массой в 131 с атомом водорода, с массой 1, скорость ксенона вырастет не сильно.

Вообще-то солнечный ветер сдувает газ не вследствие прямого столкновения протонов с атомами, а через индуцированное им электрическое поле. От такой диссипации масса атома практически не спасает. Правда это довольно маломощный канал утечки (он быстро насыщается в следствие действия поля индуцируемого током убегающих ионов), но чтобы полностью вымести ксенон с Меркурия его более чем достаточно. Для более удалённых планет с относительно массивными атмосферами (Венеры, Марс) его вклад сравнительно невелик.