Эксперименты по моделированию марсианского грунта в лаборатории показали, что бактерии способны выживать в его верхнем слое. При этом грунт Марса способен эффективно «удерживать» под поверхностью углекислоту в виде льда CO2. Возможно, если через несколько тысяч лет в ходе климатических изменений эти «запасы» углекислоты попадут в атмосферу Марса, она станет гораздо плотнее, а на поверхности планеты сможет существовать жидкая вода.

Условия на поверхности Марса моделируются в лаборатории масс-спектрометрии ФТИ. им. А.Ф. Иоффе РАН под руководством cтаршего научного сотрудника Анатолия Константиновича Павлова.

Сегодняшний Марс — это планета с очень тонкой атмосферой, очень холодная и сухая, без собственного магнитного поля. Если даже на ее поверхности появляется жидкая вода, то она достаточно быстро испаряется. В таких условиях существование живых организмов на ее поверхности представляется практически невозможным, поэтому современные исследования нацелены на поиск живых организмов в верхнем слое грунта.

Группа исследователей, которую возглавляет к.ф.-м.н. Анатолий Павлов, решила экспериментально проверить эту гипотезу. Для этого в вакуумной камере были смоделированы условия, приближенные к марсианским. Совместно с кафедрой биофизики Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого, предоставившей бактерии, живущие под землей, был смоделирован циклический процесс, реализующийся в поверхностном слое марсианского грунта

В лаборатории была использована модель современного грунта Марса — слой песка, прикрывающий слой вечной мерзлоты с большим количеством водяного льда. На него действуют циклические тепловые волны: сезонная, связанная с движением Марса по орбите, и дневная. Под их действием лед начинает сублимировать — превращаться в водяной пар. Поскольку процесс идет через мелкодисперсный песок, то часть молекул воды остается на нем и таким образом в результате физической сорбции возникают тонкие пленки жидкой воды.

Эта ситуация была смоделирована в вакуумной камере при давлении, приближенном к значениям атмосферного давления на Марсе. Эксперимент показал, что при условии минимального питания в виде органических веществ, в слое, где образовывались пленки воды, обычные земные бактерии (штамм рода Vibrio sp.) начали не только функционировать, но и размножаться.

Второй вопрос, ответ на который попытались получить исследователи, — может ли на Марсе снова появиться более или менее стабильная жидкая вода. Сегодня температура и давление атмосферы планеты таковы, что это невозможно, но по снимкам марсианской поверхности видно, что с большой долей вероятности вода на поверхности Марса была, и сравнительно недавно, что требует существования в прошлом значительно более плотной атмосферы. Также известно, что современный Марс имеет постоянную южную полярную шапку из льда СО2 и сезонную в северных полярных районах. Кроме того, он был обнаружен по радиолокационным наблюдениям с космических аппаратов, выведенных на орбиту вокруг Марса, и под поверхностью на глубине примерно 100 м в южных полярных районах, причем в количествах, в несколько раз превосходящих массу СО2 в атмосфере.

В эксперименте проверялось, какая толщина слоя «марсианской вечной мерзлоты» может удерживать СО2 даже после его перехода в газовую фазу при повышении средней температуры на длительной временной шкале.

Модельный грунт для данного эксперимента состоит из песка, перхлоратов (в больших количествах присутствующих в марсианском грунте), водяного льда и некоторых других соединений. Оказалось, что даже 2 см такого грунта — своеобразной «крышки» — достаточно, чтобы при прогревании грунта до температур перехода СО2 льда в газовую фазу и при давлении СО2 ~1 бар он оставался «запертым» под поверхностью. Выход газа происходил только при дальнейшем повышении температуры , когда целостность «крышки» нарушалась и происходил выброс СО2.

Этот результат имеет любопытные следствия. Известно, что климат Марса менялся на протяжении его истории, что связано с колебаниями оси вращения планеты на шкале 120000 лет. Может ли климат планеты измениться снова? В принципе, это возможно, и сейчас динамика климатических изменений на Марсе такова, что через несколько тысяч лет большие массы СО2 могут попасть в атмосферу после разрушения его подповерхностных «резервуаров». Атмосфера станет в разы толще современной, а это позволит жидкой воде стабилизироваться на поверхности.

Такие исследования хорошо дополняют многочисленные экспериментальные работы. Современные приборы на космических аппаратах надежно регистрируют малые составляющие в атмосфере планеты, в том числе газы, которые могут служить признаком существующей жизни (например, для этого предназначена аппаратура на аппарате TGO миссии «ЭкзоМарс-2016»). Будущие марсоходы нацелены на все более глубокое проникновение в грунт и поиски там живых организмов или их следов. Наземное моделирование способно хорошо помочь в интерпретации этих экспериментов и наблюдений.

Pavlov A.K. et al. Growth of microorganisms in Martian-like shallow subsurface conditions: laboratory modelling. International Journal of Astrobiology 9 (1): 51–58 (2010), doi:10.1017/S1473550409990371

Структура модельного грунта Марса (демонстрацио...

Структура модельного грунта Марса (демонстрационная колба) после одного цикла эксперимента: внизу виден фрагмент льда, в середине — «влажный» слой грунта со средним содержанием воды до 30% (в виде льда или тонких пленок жидкой воды), сверху слой сухого песка (во время нагрева его температура составлял 280-300 градусов Кельвина). Изображение из статьи; Pavlov A.K. et al. Growth of microorganisms in Martian-like shallow subsurface conditions: laboratory modelling. International Journal of Astrobiology 9 (1): 51–58 (2010), doi:10.1017/S1473550409990371