Mars' jord og støv

Støvtransport på Mars

Baggrund

Mars, set fra Hubble rumteleskop

Mars er dækket af fint rødt støv, som giver planeten dens karakteristiske røde farve. Støvet er altid til stede i atmosfæren. Det dominerer vejret, og støvtætheden bliver ind imellem så høj, at planetoverfladen ligger hen i mørke. Støvets oprindelse, kemiske og geologiske egenskaber er endnu ikke fuldt forstået.

Ved hjælp af simulatorer, modellering og udvikling af nye instrumenter kan forskere få et dybere kendskab til det støvede Marsmiljø og hjælpe til med at forstå nogle af planetens mysterier.

Centralt i støvforskning og instrumenttest har Mars-gruppen udviklet to unikke recirkulerende vindtunneler i miljøkamre. Her kan parametre som gastryk, gassammensætning, temperatur og vindforhold styres for at genskabe det, der findes på Mars. Det er vigtigt, at specielt analogt støvmateriale kan tilføres for at simulere den atmosfæriske aerosol fra Mars. Eksperimenter kan indstilles, eller Mars Lander flyinstrumenter kan udsættes for de samme støvede forhold som dem, der findes på Mars-overfladen. Fysiske egenskaber ved analogt støv kan studeres med en række forskellige teknikker.

Ansvaret for at køre vindtunnelaboratoriet er i hænderne på Jonathan Merrison.

Mars' analoge "jord" og støvegenskaber

Baggrund

Navnet "den røde planet" har Mars fået pga. dens rødlige farve på en klar aftenhimmel. Farven skyldes, at et lag støv på Mars’ overflade består af jernoxider, hvilket er konstateret ved refleksionsspektroskopiske undersøgelser fra Jorden og bekræftet af optiske undersøgelser i forbindelse med Viking-missioner og Pathfinder missionen i 1997, hvorfra billede herunder er taget (Pathfinder view).

Her på Jorden kendes en række okker- eller rødgule jernoxider (hæmatit, maghemit, ferrihydrit, goethit og lepidocrocit). Fælles for de rødlige eller gullige jernoxider er, at de indeholder jern i oxidationstrin +III. Tilstedeværelsen af jernoxider på overfladen af Mars er ingen overraskelse, eftersom jern (Fe) er kendt for at være det tredje mest almindelige grundstof (efter ilt (O) og silicium (Si)) i planetens overflademateriale.

Mars Landskab Pathfinder (NASA/JPL og University of Arizona)

Imidlertid indeholder de primære mineraler på overfladen af Mars næsten kun jern i oxidationstrin + II. Det ved man dels fra studier af Mars meteoritter, som formodentlig er overfladebjergarter slynget ud fra Mars efter meteoritnedslag på planeten, dels fra studier af refleksionspektre taget af Mars’ overflade. Der har således under dannelsen af Mars’ overfladestøv fundet en oxidering sted af jern fra iltningstrin +II til +III. Den røde farve er en langt større udfordring, efter at NASA Mars Exploration Roverne har fastlagt, at kemien i støvet fra atmosfæren er næsten den samme som grundklipperne.

Som udgangspunkt diskuteres to muligheder:

  • "in situ" overfladeoxidering af støv fra primære klipper på overfladen af Mars, og
  • forvitring og opløsning af den primære klippe i et vådt og oxiderende overflademiljø, hvor jern-III forbindelser (hæmatit) blev dannet som små partikler som en belægning på støvpartiklerne.

Støvpartiklerne på Mars’ overflade indeholder i deres mineralogi oplysninger om deres dannelse og dermed om tidligere tiders overflademiljø. Men den nuværende viden om Mars støv opererer med partikler af en størrelse på omkring 2 mikron med en kompliceret basaltisk mineralogi. Disse partikler ville blive totalt opløst i et Jord-miljø i løbet af årtier eller et par hundrede år. Derfor er det vigtig for Mars missionerne at studerer støvet så detaljeret.

Mars' overflademateriale-analoger

Eftersom vi ingen prøver har af det røde støv fra Mars, må vi her på Jorden bruge Mars-analoge materialeprøver til de baggrundsstudier og eksperimenter der er nødvendige for Mars missionerne. Ingen af disse prøver har dog alle Marsstøvets egenskaber.

Der er fundet rødt støv i Danmark (Salten Skov), som først og fremmest har den rigtige kornstørrelsesfordeling (ca. 2-3 µm partikler) og magnetiske egenskaber (3,9 Am2/kg), som ikke er alt for langt fra Marsstøv (~2 Am2/kg). Nær-UV spektret kan sammenlignes med spektre fra overfladematerialet på Mars. Egenskaber som elektrificering, partikel adhesion og cohesion er, som vi forventer, at Mars støvet har under planetens kolde og tørre betingelser. Men mineralogien er goethit (~75%), hæmatit (~19%), maghemit (~6%) og dermed langt fra Mars støvet med en basaltisk kemi.

Salten Skov Mars-analog
Salten Skov Mars-analog

Forsøgfaciliteter

Mars-analog prøverne er blevet brugt i videnskabelige eksperimenter relateret til Mars' overfladeprocesser (magnetisk indfangning, elektrificering, vedhæftning, aerodynamik, Mars-missionsinstrumenter og test af solpaneler). Til disse eksperimenter er to Mars vindtunneller blandt de vigtigste facliiteter.

Mars-tank og vindtunnel AWTS I
Mars-tank og vindtunnel AWTS II

Imidlertid er en række andre analytiske instrumenter også nødvendige for at fastlægge den mineralogiske sammensætningen af de anvendte prøver. Støvets partikelstørrelse bestemmes vha laserdiffraktion, mineralogi bestemmes vha. røntgendiffraktion (XRD) og Mössbauer spektroskopi (MS), og morfologi og kemisk sammensætning bestemmes ved scanning (SEM) og transmissionselektronmikroskopi (TEM), begge med EDX analysatorer (Energy dispersive x-ray-analysis), og den samlede kemiske analyse af bulkprøver vha. røntgenfluorescens (XRF).

Jernoxider

  • Magnetit Fe3O4 [FeIII (FeII, FeIII) O4]
    Magnetit er et stærkt magnetisk jernoxid, der afviger fra de fleste andre jernoxider ved at indeholde både divalent og trivalent jern. Magnetit findes ofte i strandsand i Danmark som små sorte magnetiske korn.
  • Maghemit γ- Fe2O3
    Maghemit er også stærkt magnetisk og har en struktur som magnetit. Det afviger fra magnetit, ved at næsten alt jern er trivalent. Tomme pladser i strukturen kompenserer for jern i oxidationstrin + III. Maghemit er kendt fra brandsteder og er meget stærkt rød-brunlig. Det findes i Salten Skov I jorden fra Midtjylland, Danmark, som dog ikke er et brandsted.Dette blev dokumenteret ved et forsøg med brændt jord [2].
  • Hæmatit α- Fe2O3
    Hæmatit er kun meget svagt magnetisk. Kornene er fine, næsten blodrøde (græsk: haima = blod). Det er også kendt som blodsten, som er næsten sort i sin faste form og bruges til smykker. Hæmatit udnyttes som farvestof (f.eks svensk rød). Dette mineral hører heller ikke til i et tempereret fugtigt klima.
  • Goethit α- FeOOH
    Goethit er næsten umagnetisk. Farven er gul til gul-orange og er også brugt som farvestof. Goethit er et meget almindeligt mineral i danske jorder. Det er opkaldt efter Wolfgang von Goethe, den tyske forfatter og videnskabsmand (hans hus i Weimar er malet med goethit).
  • Titanomagnetit (ulvöspinel) Fe2TiO4 [FeII (FeII, TiIV) O4]
    Ulvöspinel er forskellig fra magnetit ved ikke at være et stærkt magnetisk mineral. Det har ligesom magnetit en kubisk struktur, og overgange mellem de to er almindelige. Mineralet udgør sandsynligvis en del af den vulkanske klippe på Mars.

Referencer:

[1] Nørnberg, P. et al. (2009), Planet and Sp. Sci. 57, 628-631.
[2] Nørnberg, P. et al. (2009), Clay Minerals. 44, 239-247.