Heeft Mars zijn eigen atmosfeer verborgen in zijn klei?

Geologische waarnemingen van Mars duiden op een dichte vroege atmosfeer met een druk van 0,25 tot 4 bar koolstofdioxide. Maar 3,5 miljard jaar geleden werd de atmosfeer van Mars snel dunner tot ongeveer 0,054 bar, wat duidt op een aanzienlijk verlies van atmosferische koolstofdioxide, of naar de ruimte of de lithosfeer.

Het mechanisme waarmee Mars zijn koolstofdioxide verloor wordt nog steeds slecht begrepen. Voor de MIT-geologen Joshua Murray en Oliver Jagoutz ligt het antwoord mogelijk in de met klei bedekte korst van de planeet. De onderzoekers gebruikten hun kennis van interacties tussen gesteenten en gassen op Aarde en pasten die toe op hoe soortgelijke processen zich op Mars zouden kunnen afspelen. Ze ontdekten dat, gegeven de hoeveelheid klei die naar schatting het oppervlak van Mars bedekt, de klei van de planeet tot 1,7 bar koolstofdioxide zou kunnen bevatten, wat gelijk zou staan aan ongeveer 80% van de oorspronkelijke, vroege atmosfeer van de planeet. Het is mogelijk dat deze opgeslagen Martiaanse koolstof op een dag kan worden teruggewonnen en omgezet in brandstof om toekomstige missies tussen Mars en de Aarde van brandstof te voorzien, stellen de onderzoekers.

Op basis van bevindingen op Aarde laten onderzoekers zien dat soortgelijke processen waarschijnlijk ook op Mars plaatsvonden en dat grote hoeveelheden atmosferische koolstofdioxide mogelijk zijn omgezet in methaan en zijn opgeslagen in klei.

Dit methaan zou nog steeds aanwezig kunnen zijn en misschien zelfs in de toekomst als energiebron op Mars kunnen worden gebruikt.

De professoren Jagoutz en Marray proberen de geologische processen en interacties te identificeren die de evolutie van de lithosfeer van de Aarde aansturen: de harde en broze buitenste laag die de korst en de bovenste mantel omvat waar de tektonische platen liggen.

In 2023 richtten ze zich op een type oppervlaktekleimineraal genaamd, smectiet, waarvan bekend is dat het een zeer effectieve val is voor koolstof.

In één korrel smectiet bevinden zich een veelvoud aan plooien waarin koolstof miljarden jaren ongestoord kan blijven zitten.

Ze toonden aan dat smectiet op Aarde waarschijnlijk een product was van tektonische activiteit en dat de kleimaterialen, zodra ze aan het oppervlak waren blootgesteld, genoeg koolstofdioxide uit de atmosfeer haalden en opsloegen om de planeet miljoenen jaren af te koelen.

Koert nadat ze hun resultaten hadden gerapporteerd keek professor Jagoutz toevallig naar een kaart van het oppervlak van Mars en realiseerde zich dat een groot deel van het oppervlak van die planeet bedekt was met dezelfde smectietkleien.

Zouden de kleien een soortgelijk koolstofvangend effect op Mars kunnen hebben gehad en zo ja, hoeveel koolstof zouden de kleien kunnen vasthouden?

In tegenstelling tot op Aarde, waar smectiet het gevolg is van continentale platen die verschuiven en optillen om gesteenten van de mantel naar het oppervlak te brengen, is er op Mars geen dergelijke tektonische activiteit.

De wetenschappers zochten naar manieren waarop de kleien op Mars gevormd zouden kunnen zijn, op basis van wat ze weten over de geschiedenis en samenstelling van de planeet.

Zo suggereren sommige metingen op afstand van het oppervlak van Mars dat ten minste een deel van de aardkorst ultramafische stollingsgesteenten bevat, vergelijkbaar met die welke smectieten produceren door verwering op Aarde.

Andere waarnemingen onthullen geologische patronen die vergelijkbaar zijn met aardse rivieren en zijrivieren, waar water doorheen zou kunnen stromen en reageren met het onderliggende gesteente.

De auteurs vroegen zich af of water zou kunnen hebben gereageerd met de diepe ultrafamische gesteenten van Mars op een manier die de klei zou produceren die het oppervlak vandaag de dag bedekt.

Ze ontwikkelden een eenvoudig model van gesteentechemie, gebaseerd op wat bekend is over hoe stollingsgesteenten interacteren met hun omgeving op Aarde.

Ze pasten dit model toe op Mars, waar wetenschappers geloven dat de korst voornamelijk bestaat uit stollingsgesteente dat rijk is aan het mineraal olivijn.

Het team gebruikte het model om de veranderingen te schatten die olivijnrijk gesteente zou kunnen ondergaan, ervan uitgaande dat er minstens een miljard jaar water op het oppervlak aanwezig was en de atmosfeer dik genoeg was van koolstofdioxide.

Op dit moment in de geschiedenis van Mars denken de onderzoekers dat koolstofdioxide overal is, in elke hoek en speelt, en dat water dat door de rotsen sijpelt ook vol koolstofdioxide zit.

Gedurende ongeveer een miljard jaar zou water dat door de korst sijpelt langzaam hebben gereageerd met olivijn, een mineraal dat rijk is aan een gereduceerde vorm van ijzer.

Zuurstofmoleculen in water zouden zich aan het ijzer hebben gebonden, waardoor waterstof vrijkwam en het rode geoxideerde ijzer ontstond dat de planeet zijn iconische kleur geeft.

Deze vrije waterstof zou zich vervolgens hebben gecombineerd met koolstofdioxide in het water om methaan te vormen.

Naarmate deze reactie in de loop van de tijd vorderde zou olivijn langzaam zijn getransformeerd in een ander type ijzerrijk gesteente, bekend als serpentijn, dat vervolgens bleef reageren met water om smectiet te vormen.

Deze smectiet kleisoorten hebben een enorme capaciteit om koolstof op te slaan, aldus de onderzoekers.

De onderzoekers gebruikten toen bestaande kennis over hoe deze mineralen worden opgeslagen in klei op Aarde en extrapoleerden dit naar de vraag: “als het oppervlak van Mars zoveel klei bevat, hoeveel methaan kun je dan opslaan in die klei?”

Ze ontdekten data ls Mars bedekt is met een laag smectiet die 1100 meter diep is, deze hoeveelheid klei een enorme hoeveelheid methaan zou kunnen opslaan, gelijk aan het grootste deel van de koolstofdioxide in de atmosfeer waarvan men denkt dat deze is verdwenen sinds de planeet is opgedroogd.

Ze ontdekten dat schattingen van wereldwijde kleivolumes op Mars overeenkomen met een aanzienlijk deel van de oorspronkelijke koolstofdioxide van Mars dat wordt opgeslagen als organische verbindingen in de kleirijke korst.

In sommige opzichten zou de ontbrekende atmosfeer van Mars zich voor ons oog kunnen verbergen.

De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Artikel: Joshua Murray & Oliver Jagoutz. 2024. Olivine alteration and the loss of Mars’ early atmospheric carbon. Science Advances 10 (39); doi: 10.1126/sciadv.adm8443

Eerste publicatie: 28 september 2024
Bron: sci-news

Ultramafisch staat in de geologie voor stollingsgesteente dat relatief zeer weinig (minder dan 45 massaprocent) silica (SiO2) bevat. Een gesteente dat tussen de 52 en 45 massaprocent silica bevat is mafisch.