Перхлораты на Марсе

В статье экспериментально показано, как космическое излучение разрушает соли перхлоратов в разных средах, имитирующих марсианский реголит и ледяную кору Европы, и что это означает для сохранности органических молекул и поиска следов жизни за пределами Земли.

Цель и постановка задачи

Перхлораты — соли хлорной кислоты — хорошо известны как важный компонент марсианского грунта и предполагаемой поверхности Европы; они одновременно являются сильными окислителями и потенциальным ресурсом для микробной жизни. Авторы ставят задачу количественно оценить, с какой скоростью перхлораты разрушаются под действием ионизирующего излучения в реалистичных матрицах (силикаты, лед), а не в виде чистых солей. Это позволяет уточнить модели долговременной сохранности перхлоратов и органики в верхних слоях Марса и Европы и лучше планировать астробиологические миссии.

Эксперимент: матрицы и облучение

В качестве модельной системы использовали натриевый перхлорат NaClO₄, который помещали в четыре типа матриц:

• чистый безводный NaClO₄;
• 30%-й водный раствор NaClO₄;
• сухую смесь кварцевого песка (90% масс.) и NaClO₄ (10% масс.);
• смесь кварцевого песка (70% масс.) с 30%-м раствором NaClO₄.

Образцы охлаждали до 133 K (около –140 °C), переводили в вакуум (давление порядка 10⁻² мбар) и облучали пучком электронов энергии ~0,9 МэВ на ускорителе RTE‑1V Научно-технологического комплекса ядерной физики Политеха, что моделирует воздействие вторичных электронов космических лучей в верхнем метре реголита Марса и в приповерхностном льду Европы. Поглощенные дозы составляли 7,6; 12 и 19,6 МГр; по изменению концентраций ионных форм рассчитывали радиационно-химические выходы (G-значения) — число молекул перхлората, разрушенных на 100 эВ поглощенной энергии.

Ключевые результаты

Сильная зависимость от матрицы. В сухой смеси кварца и перхлората при максимальной дозе разрушалось до ~15–30% NaClO₄, G-значения достигали ≈1,1–1,3 молекулы/100 эВ. Для чистого перхлората распад был заметно ниже (≈7–12%), а G‑значения уменьшались с ростом дозы до ≈0,46 молекул/100 эВ.

Подавление радиолиза водой. В ледяных системах (раствор и смесь с раствором) доля разрушенного перхлората не превышала ≈5,5%; присутствие воды приводило к трёхкратному снижению степени радиолиза по сравнению с сухой силикатной смесью. Это объясняют тем, что вода и продукты ее радиолиза экранируют перхлорат от части энергии.

Основным продуктом радиолиза NaClO₄ оказался хлорат ClO₃⁻, тогда как хлорит и хлорид образовывались в пренебрежимо малых количествах. Это уточняет схему превращений хлорсодержащих окислителей в поверхностных слоях планетных тел.

Сопоставление с предыдущими оценками.

Полученные G‑значения оказались существенно ниже некоторых ранних лабораторных данных для чистых солей, что подчеркивает важность учета минералогии и фазового состояния воды при экстраполяции радиационно-химических процессов на реальные планетные условия.

Результаты показывают, что:

• в сухом реголите перхлораты разрушаются относительно быстро, сопровождаясь образованием дополнительных окислителей, что снижает шансы на долговременную сохранность органических молекул вблизи поверхности;
• в ледяных и увлажненных зонах скорость радиолиза ниже, а значит, именно такие области на Марсе и в ледяной коре Европы потенциально более благоприятны для накопления и сохранения биомаркеров.

Модели, построенные на основе полученных G‑значений, позволяют оценивать характерные времена жизни перхлоратов и органики на разных глубинах и под разными уровнями радиационного фона, что важно при выборе приоритетных зон бурения и отбора проб для будущих миссий.

Ученые Политеха отвечали за проведение облучательных экспериментов на электронном ускорителе RTE‑1V и моделирование радиационных условий, соответствующих поверхности Марса и ледяной коре Европы. Благодаря инфраструктуре ядерно-физического комплекса Политеха в работе удалось реализовать контролируемые дозы и спектры электронов, приближенные к реальным условиям космической радиации, что усилило прикладную ценность полученных данных для планетологии и астробиологии.

Исследования поддержаны грантом РНФ.