Предыдущая публикация
Учёные используют исландские глинистые породы для подготовки образцов для анализа на Марсе
Сказать, что путешествие с Земли на Марс — это просто долгое путешествие, было бы большим преуменьшением. 30 июля 2020 года, когда Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) отправило марсоход Perseverance на ракете Atlas V к Красной планете для сбора образцов горных пород, марсоходу потребовалось почти семь месяцев, чтобы добраться до места назначения. Это был лишь один из этапов сложного процесса, который займёт не менее десяти лет, чтобы доставить эти образцы с Марса на Землю.Этот живописный вид открывается с водораздела на юго-западе Исландии, где исследователи собрали образцы марсианских горных пород. Фото: Майкл Торп/НАСА, Годдардский центр космических полётов
--------------
Хотя ожидание доставки образцов необычно затянулось, у учёных есть достаточно времени, чтобы найти оптимальный подход к изучению этих редких и ценных камней.
В рамках подготовки к исследованию международная группа учёных начала изучать осадочные образцы горных пород, найденные в Исландии — стране, территория которой имеет некоторое сходство по составу, а климат может быть похож на древний климат некоторых регионов Марса.
Их результаты, опубликованные в Американском минералогическом журнале, проливают свет на то, как анализ этих сложных природных минералов с высоким разрешением может помочь учёным глубже понять их геологическую историю как на Земле, так и на Марсе, находящемся на расстоянии 194 миллионов миль, хотя это требует тщательной интерпретации.
В этом совместном проекте участвуют исследователи из Мэрилендского университета, Центра космических полётов имени Годдарда НАСА, Космического центра имени Линдона Джонсона, Гёттингенского университета, Чхунбукского национального университета и Национального источника синхротронного излучения II (NSLS-II) — научного центра Министерства энергетики США (DOE) при Брукхейвенской национальной лаборатории DOE.
Камни из страны огня и льда
В последние годы регионы Исландии стали популярными аналогами Марса, поскольку между ними продолжают обнаруживать всё больше сходств. Основной тип горных пород в этих регионах — вулканическая порода под названием базальт — был обнаружен в марсианских метеоритах, а также марсоходами Curiosity и Perseverance на поверхности планеты.
Наличие на Марсе залежей воды и льда позволяет предположить, что когда-то там могли быть ледники, озёра и реки. На каждой планете есть даже вулканические образования, которые похожи друг на друга.
«Это потрясающая возможность», — сказал Майкл Торп, научный сотрудник Мэрилендского университета и Центра космических полётов имени Годдарда НАСА, который руководил исследованием.
«На Марсе мы изучаем минералы, в которых сохранились следы древней воды, но которые со временем были погребены под слоем породы и спрессованы. С другой стороны, на Земле, в Исландии, мы находим очень молодые отложения с похожими минералами, которые ещё не прошли процесс формирования породы. Это говорит о геологическом времени».
«Что произошло на Марсе, что позволило этим, как мы бы их назвали, «молодым» минеральным фазам сохраниться в осадочных породах? Произошло ли это, когда планета лишилась воды? Или просто из-за того, что там было очень холодно, как в Исландии? Или здесь играют роль другие факторы? В этих марсианских породах, которые однажды попадут на Землю, заключены тайны, и наша команда с нетерпением ждёт возможности их разгадать».
Камни, за которыми охотились Торп и его команда, известны как аргиллиты — осадочные породы, состоящие из глиноподобных частиц, которые широко распространены как на Земле, так и на других каменистых телах нашей Солнечной системы, например на Марсе.
Эти конкретные образцы образовались из ледниково-речных отложений — осадочных материалов, таких как песок, гравий и глина, которые появились в результате совместного воздействия ледников и рек. Когда ледники движутся и разрушают крупные камни, они захватывают их мелкие частицы.
Затем, когда ледник тает или отступает, извлечённые отложения попадают в близлежащие речные системы. Исследователи взяли пробы в водоразделе на юго-западе Исландии, где сходятся эти системы.
Несмотря на их распространённость, анализ этих мелкозернистых отложений представляет собой сложную задачу. Из-за их небольшого размера и сложного состава для точной интерпретации необходимы исследования с высоким разрешением.
--------------
Хотя ожидание доставки образцов необычно затянулось, у учёных есть достаточно времени, чтобы найти оптимальный подход к изучению этих редких и ценных камней.
В рамках подготовки к исследованию международная группа учёных начала изучать осадочные образцы горных пород, найденные в Исландии — стране, территория которой имеет некоторое сходство по составу, а климат может быть похож на древний климат некоторых регионов Марса.
Их результаты, опубликованные в Американском минералогическом журнале, проливают свет на то, как анализ этих сложных природных минералов с высоким разрешением может помочь учёным глубже понять их геологическую историю как на Земле, так и на Марсе, находящемся на расстоянии 194 миллионов миль, хотя это требует тщательной интерпретации.
В этом совместном проекте участвуют исследователи из Мэрилендского университета, Центра космических полётов имени Годдарда НАСА, Космического центра имени Линдона Джонсона, Гёттингенского университета, Чхунбукского национального университета и Национального источника синхротронного излучения II (NSLS-II) — научного центра Министерства энергетики США (DOE) при Брукхейвенской национальной лаборатории DOE.
Камни из страны огня и льда
В последние годы регионы Исландии стали популярными аналогами Марса, поскольку между ними продолжают обнаруживать всё больше сходств. Основной тип горных пород в этих регионах — вулканическая порода под названием базальт — был обнаружен в марсианских метеоритах, а также марсоходами Curiosity и Perseverance на поверхности планеты.
Наличие на Марсе залежей воды и льда позволяет предположить, что когда-то там могли быть ледники, озёра и реки. На каждой планете есть даже вулканические образования, которые похожи друг на друга.
«Это потрясающая возможность», — сказал Майкл Торп, научный сотрудник Мэрилендского университета и Центра космических полётов имени Годдарда НАСА, который руководил исследованием.
«На Марсе мы изучаем минералы, в которых сохранились следы древней воды, но которые со временем были погребены под слоем породы и спрессованы. С другой стороны, на Земле, в Исландии, мы находим очень молодые отложения с похожими минералами, которые ещё не прошли процесс формирования породы. Это говорит о геологическом времени».
«Что произошло на Марсе, что позволило этим, как мы бы их назвали, «молодым» минеральным фазам сохраниться в осадочных породах? Произошло ли это, когда планета лишилась воды? Или просто из-за того, что там было очень холодно, как в Исландии? Или здесь играют роль другие факторы? В этих марсианских породах, которые однажды попадут на Землю, заключены тайны, и наша команда с нетерпением ждёт возможности их разгадать».
Камни, за которыми охотились Торп и его команда, известны как аргиллиты — осадочные породы, состоящие из глиноподобных частиц, которые широко распространены как на Земле, так и на других каменистых телах нашей Солнечной системы, например на Марсе.
Эти конкретные образцы образовались из ледниково-речных отложений — осадочных материалов, таких как песок, гравий и глина, которые появились в результате совместного воздействия ледников и рек. Когда ледники движутся и разрушают крупные камни, они захватывают их мелкие частицы.
Затем, когда ледник тает или отступает, извлечённые отложения попадают в близлежащие речные системы. Исследователи взяли пробы в водоразделе на юго-западе Исландии, где сходятся эти системы.
Несмотря на их распространённость, анализ этих мелкозернистых отложений представляет собой сложную задачу. Из-за их небольшого размера и сложного состава для точной интерпретации необходимы исследования с высоким разрешением.
На этой иллюстрации (а) показан путь осадочных пород от источника до места захоронения. Сопровождающая иллюстрация концептуальная модель (б) демонстрирует, как в осадочной системе образуются аморфные материалы. Источник: Майкл Торп
--------------
«По мере того как мы готовимся к отправке этих драгоценных образцов с Марса, становится ясно, что нам нужно найти передовые методы, которые помогут нам лучше понять, чего ожидать, когда образцы прибудут в наши лаборатории на Земле», — сказал Торп.
«Вот почему сотрудничество с NSLS-II было таким масштабным и вот почему я надеюсь на его продолжение».
Изучив процессы осадконакопления, в результате которых образовались эти породы, учёные смогут составить более чёткую картину геологической истории планеты.
Предыдущие исследования, в ходе которых изучались образцы из того же места, не позволили полностью охарактеризовать отложения с размером частиц менее четырёх микрометров. Геологи часто называют эти крошечные частицы «глинистыми».
Целью этого исследования было выявить эти скрытые характеристики с помощью методов с высоким разрешением, таких как просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), порошковая рентгеновская дифракция (ПРС), измерение функции распределения пар рентгеновских лучей и анализ с помощью рентгеновской флуоресцентной микроскопии.
Распространённые материалы со сложной историей
На микроскопическом уровне горные породы и минералы имеют разнообразную структуру. Атомы и молекулы, из которых состоят кристаллические материалы, расположены в строго определённом порядке, что позволяет выделить определённые геометрические формы.
Напротив, в природе существуют другие фазы, называемые аморфными материалами, в которых отсутствует организованное дальнее упорядочение атомов. Породы, состоящие из нескольких различных отложений, могут стать серьёзной проблемой для учёных, пытающихся их охарактеризовать.
Структура многих глинистых минералов такова, что их сложно проанализировать без использования методов с высоким разрешением. Именно здесь на помощь приходит линия функции распределения пар (PDF) на ускорителе NSLS-II.
«Когда мы начинали это сотрудничество, мы не представляли, насколько сложным будет этот анализ», — отметил Эрик Дурихи, бывший руководитель программы по рассеянию и спектроскопии жёсткого рентгеновского излучения в NSLS-II.
«Эти образцы представляют собой смесь высококристаллических материалов, других горных пород и минералов с более неупорядоченной структурой и даже некоторых аморфных материалов. Смесь сигналов, поступающих от материалов с разной структурой, сложно проанализировать качественно, например, измерив долю каждого минерала в образце и определив, насколько они неупорядочены или кристалличны».
«Мы всё ещё пытаемся усовершенствовать эти методы, поэтому мне нравятся подобные исследования».
Определение характеристик отложений такого размера и структуры всегда было непростой задачей для минералогов. Подобные исследования помогают усовершенствовать существующие методы рентгеновского анализа и открывают путь к созданию новых инструментов для дальнейшего изучения таких материалов как на Земле, так и за её пределами.
Чтобы дополнить эти структурные измерения, команда изучила химический и элементный состав отложений с помощью рентгеновской спектроскопии субмикронного разрешения (SRX) на линии NSLS-II. Исследователи взяли образцы из разных типов местности в этом районе и измерили концентрацию определённых элементов в каждом образце.
«Мы обнаружили, что каждая крошечная частица осадка состоит не из одного элемента и даже не из одного вида материала», — объяснил Юрген Тиме, адъюнкт-профессор Университета Стоуни-Брук и бывший научный сотрудник SRX.
«Нам удалось зафиксировать микрогетерогенность этих крошечных образцов, различия в их химической структуре, вплоть до содержания микроэлементов».
Железо и кальций в большом количестве присутствовали во всех образцах, но распределение этих элементов, по-видимому, зависело от местности, в которой они были обнаружены. Визуализация с помощью SRX также помогла команде определить степень окисления железа в отложениях, которая может быть связана с выветриванием.
--------------
«По мере того как мы готовимся к отправке этих драгоценных образцов с Марса, становится ясно, что нам нужно найти передовые методы, которые помогут нам лучше понять, чего ожидать, когда образцы прибудут в наши лаборатории на Земле», — сказал Торп.
«Вот почему сотрудничество с NSLS-II было таким масштабным и вот почему я надеюсь на его продолжение».
Изучив процессы осадконакопления, в результате которых образовались эти породы, учёные смогут составить более чёткую картину геологической истории планеты.
Предыдущие исследования, в ходе которых изучались образцы из того же места, не позволили полностью охарактеризовать отложения с размером частиц менее четырёх микрометров. Геологи часто называют эти крошечные частицы «глинистыми».
Целью этого исследования было выявить эти скрытые характеристики с помощью методов с высоким разрешением, таких как просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), порошковая рентгеновская дифракция (ПРС), измерение функции распределения пар рентгеновских лучей и анализ с помощью рентгеновской флуоресцентной микроскопии.
Распространённые материалы со сложной историей
На микроскопическом уровне горные породы и минералы имеют разнообразную структуру. Атомы и молекулы, из которых состоят кристаллические материалы, расположены в строго определённом порядке, что позволяет выделить определённые геометрические формы.
Напротив, в природе существуют другие фазы, называемые аморфными материалами, в которых отсутствует организованное дальнее упорядочение атомов. Породы, состоящие из нескольких различных отложений, могут стать серьёзной проблемой для учёных, пытающихся их охарактеризовать.
Структура многих глинистых минералов такова, что их сложно проанализировать без использования методов с высоким разрешением. Именно здесь на помощь приходит линия функции распределения пар (PDF) на ускорителе NSLS-II.
«Когда мы начинали это сотрудничество, мы не представляли, насколько сложным будет этот анализ», — отметил Эрик Дурихи, бывший руководитель программы по рассеянию и спектроскопии жёсткого рентгеновского излучения в NSLS-II.
«Эти образцы представляют собой смесь высококристаллических материалов, других горных пород и минералов с более неупорядоченной структурой и даже некоторых аморфных материалов. Смесь сигналов, поступающих от материалов с разной структурой, сложно проанализировать качественно, например, измерив долю каждого минерала в образце и определив, насколько они неупорядочены или кристалличны».
«Мы всё ещё пытаемся усовершенствовать эти методы, поэтому мне нравятся подобные исследования».
Определение характеристик отложений такого размера и структуры всегда было непростой задачей для минералогов. Подобные исследования помогают усовершенствовать существующие методы рентгеновского анализа и открывают путь к созданию новых инструментов для дальнейшего изучения таких материалов как на Земле, так и за её пределами.
Чтобы дополнить эти структурные измерения, команда изучила химический и элементный состав отложений с помощью рентгеновской спектроскопии субмикронного разрешения (SRX) на линии NSLS-II. Исследователи взяли образцы из разных типов местности в этом районе и измерили концентрацию определённых элементов в каждом образце.
«Мы обнаружили, что каждая крошечная частица осадка состоит не из одного элемента и даже не из одного вида материала», — объяснил Юрген Тиме, адъюнкт-профессор Университета Стоуни-Брук и бывший научный сотрудник SRX.
«Нам удалось зафиксировать микрогетерогенность этих крошечных образцов, различия в их химической структуре, вплоть до содержания микроэлементов».
Железо и кальций в большом количестве присутствовали во всех образцах, но распределение этих элементов, по-видимому, зависело от местности, в которой они были обнаружены. Визуализация с помощью SRX также помогла команде определить степень окисления железа в отложениях, которая может быть связана с выветриванием.
На этих картах распределения элементов SRX цветовая шкала используется для отображения относительной интенсивности в каждом анализируемом образце. Красный цвет указывает на более высокую концентрацию элементов, а синий — на более низкую. Источник: Брукхейвенская национальная лаборатория
-------------
Расшифровка этих подсказок о пути, который проделали отложения, может помочь исследователям представить, как выглядел Марс до того, как превратился в негостеприимную планету, какой он является сейчас.
«Сложность этих исследований действительно впечатляет, если говорить о наземных объектах, — сказал Торп. — Каждая из этих фаз, хотя их трудно измерить количественно, рассказывает нам свою историю с точки зрения выветривания, климата и всех других сложных процессов, которые происходили на пути этих отложений от гор до океана.
«Когда мы получим эти сложные природные образцы с Марса, в которых, как мы знаем, будет множество похожих минералов и аморфных материалов, будем ли мы готовы определить, что это за фазы? Мы надеемся, что эти образцы из Исландии и других мест на Земле помогут нам ответить на этот вопрос».
Благодаря анализу с высоким разрешением команда получила более детальное представление о том, как эти отложения формировались с течением времени. Они были удивлены тем, насколько сильно каждый образец изменился под воздействием окружающей среды, с которой он контактировал во время своего путешествия.
Эти горные породы представляли собой не просто историю, рассказанную в легко интерпретируемых слоях. В них были сложные изгибы, повороты и изменения. Они накапливали и теряли материал, претерпевали структурные изменения и адаптировались к таким факторам, как температура, погодные условия и даже уровень углекислого газа.
Возможно, учёные недооценили количество изменений, произошедших с течением времени и в ходе осадочного процесса, если бы не эти скрытые микроскопические подсказки.
По мере того как учёные получают возможность исследовать эти образцы изнутри с помощью рентгеновских методов высокого разрешения и современной микроскопии, чтобы точнее интерпретировать полученные данные, они получают более полное представление об условиях, в которых формируются эти крошечные «капсулы времени» в каждой уникальной экосистеме.
Изучение языка этих камней через их истории необходимо для понимания историй планет, на которых больше нет объектов, способных их рассказать.
Игра в ожидание
Несмотря на то, что перевод историй, связанных с осадочными породами, здесь, на Земле, по-прежнему сопряжён с трудностями, исследователи с нетерпением ждут возможности увидеть, как эти процессы протекают на Марсе.
Цель кампании НАСА по возвращению образцов с Марса — максимально эффективно доставить эти внеземные породы на Землю, но этот процесс займёт несколько лет. НАСА призывает сообщество поделиться своими лучшими идеями по ускорению этого процесса.
Учитывая, насколько сложно собрать и вернуть эти драгоценные образцы, учёные будут проявлять крайнюю осторожность при их изучении. Образцы будут храниться в герметичной металлической трубке, которую нельзя будет открыть и которая не будет подвергаться воздействию земной атмосферы.
Чтобы проникнуть в металлический контейнер и проанализировать его содержимое, потребуются рентгеновские лучи высокой энергии. Тем временем Торп ищет другие возможности, которые находятся ближе к дому.
«Я всегда стремлюсь найти больше ответов, и даже если в итоге я оказываюсь неправ, это часть научного подхода», — сказал он.
«Исландия всегда была отличным примером, но я хочу знать, есть ли в этой осадочной головоломке другие недостающие фрагменты. Чтобы продолжить это исследование, наша команда отправилась на испанский остров Лансароте, который состоит из таких же пород. Там более тёплый климат и проливные дожди, которые могут способствовать более высокой степени выветривания».
«Возможно, этот климат может привнести что-то новое в динамичную историю о вулканических ландшафтах. Я всегда готов задавать вопросы, искать новые места и выводить наше сотрудничество и технические подходы на новый уровень».
-------------
Расшифровка этих подсказок о пути, который проделали отложения, может помочь исследователям представить, как выглядел Марс до того, как превратился в негостеприимную планету, какой он является сейчас.
«Сложность этих исследований действительно впечатляет, если говорить о наземных объектах, — сказал Торп. — Каждая из этих фаз, хотя их трудно измерить количественно, рассказывает нам свою историю с точки зрения выветривания, климата и всех других сложных процессов, которые происходили на пути этих отложений от гор до океана.
«Когда мы получим эти сложные природные образцы с Марса, в которых, как мы знаем, будет множество похожих минералов и аморфных материалов, будем ли мы готовы определить, что это за фазы? Мы надеемся, что эти образцы из Исландии и других мест на Земле помогут нам ответить на этот вопрос».
Благодаря анализу с высоким разрешением команда получила более детальное представление о том, как эти отложения формировались с течением времени. Они были удивлены тем, насколько сильно каждый образец изменился под воздействием окружающей среды, с которой он контактировал во время своего путешествия.
Эти горные породы представляли собой не просто историю, рассказанную в легко интерпретируемых слоях. В них были сложные изгибы, повороты и изменения. Они накапливали и теряли материал, претерпевали структурные изменения и адаптировались к таким факторам, как температура, погодные условия и даже уровень углекислого газа.
Возможно, учёные недооценили количество изменений, произошедших с течением времени и в ходе осадочного процесса, если бы не эти скрытые микроскопические подсказки.
По мере того как учёные получают возможность исследовать эти образцы изнутри с помощью рентгеновских методов высокого разрешения и современной микроскопии, чтобы точнее интерпретировать полученные данные, они получают более полное представление об условиях, в которых формируются эти крошечные «капсулы времени» в каждой уникальной экосистеме.
Изучение языка этих камней через их истории необходимо для понимания историй планет, на которых больше нет объектов, способных их рассказать.
Игра в ожидание
Несмотря на то, что перевод историй, связанных с осадочными породами, здесь, на Земле, по-прежнему сопряжён с трудностями, исследователи с нетерпением ждут возможности увидеть, как эти процессы протекают на Марсе.
Цель кампании НАСА по возвращению образцов с Марса — максимально эффективно доставить эти внеземные породы на Землю, но этот процесс займёт несколько лет. НАСА призывает сообщество поделиться своими лучшими идеями по ускорению этого процесса.
Учитывая, насколько сложно собрать и вернуть эти драгоценные образцы, учёные будут проявлять крайнюю осторожность при их изучении. Образцы будут храниться в герметичной металлической трубке, которую нельзя будет открыть и которая не будет подвергаться воздействию земной атмосферы.
Чтобы проникнуть в металлический контейнер и проанализировать его содержимое, потребуются рентгеновские лучи высокой энергии. Тем временем Торп ищет другие возможности, которые находятся ближе к дому.
«Я всегда стремлюсь найти больше ответов, и даже если в итоге я оказываюсь неправ, это часть научного подхода», — сказал он.
«Исландия всегда была отличным примером, но я хочу знать, есть ли в этой осадочной головоломке другие недостающие фрагменты. Чтобы продолжить это исследование, наша команда отправилась на испанский остров Лансароте, который состоит из таких же пород. Там более тёплый климат и проливные дожди, которые могут способствовать более высокой степени выветривания».
«Возможно, этот климат может привнести что-то новое в динамичную историю о вулканических ландшафтах. Я всегда готов задавать вопросы, искать новые места и выводить наше сотрудничество и технические подходы на новый уровень».
Следующая публикация
Нет комментариев