Роль углерода в формировании планетарных атмосфер

Новое исследование того, как углерод захватывается и высвобождается богатой железом вулканической магмой, дает ключи к пониманию ранней эволюции атмосферы на Марсе и других планетах земной группы.

Состав атмосферы планеты коренится глубоко под ее поверхностью. Когда вещество мантии плавится с образованием магмы, оно захватывает подповерхностный углерод. По мере того как магма движется вверх к поверхности и давление падает, этот углерод высвобождается в виде газа. На Земле углерод захватывается магмой в виде карбоната и дегазируется как диоксид углерода — парниковый газ, помогающий атмосфере удерживать тепло Солнца. Однако то, как углерод переносится из недр в атмосферу на других планетах и как это может влиять на парниковые условия, до конца не было понятно.

Это новое исследование, в котором также участвовали ученые из Северо-Западного университета и Института Карнеги в Вашингтоне, показало, что в условиях, подобных условиям в мантиях Марса, Луны и других тел, углерод захватывается в магмах в основном в виде соединения, называемого карбонилом железа, и высвобождается в виде газов — монооксида углерода и метана. Оба газа, особенно метан, обладают высоким парниковым потенциалом.

Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, позволяют предположить, что когда вулканизм был широко распространен в ранней истории Марса, он мог высвобождать достаточно метана, чтобы планета была значительно теплее, чем сегодня.

Ключевое различие между условиями в мантии Земли и мантиях других планет земной группы заключается в так называемой кислородной фугитивности — количестве свободного кислорода, доступного для реакции с другими элементами. Мантия Земли сегодня имеет относительно высокую кислородную фугитивность, но на таких телах, как Луна и ранний Марс, она очень низкая. Чтобы выяснить, как это влияет на перенос углерода, исследователи провели серию экспериментов с использованием вулканического базальта, подобного найденному на Луне и Марсе.

«Мы обнаружили, что при низкой кислородной фугитивности в магму может растворяться больше углерода, чем считалось ранее, — говорит ведущий автор исследования Дайан Ветцель. — Это играет большую роль в дегазации планетарных недр и в том, как это затем повлияет на эволюцию атмосфер на разных планетных телах».

Поскольку вулканизм был широко распространен в ранней истории Марса, высвобождение значительного количества метана могло создать парниковые условия, достаточно теплые для существования жидкой воды на поверхности.