Ένα πιθανό νέο ορυκτό στον Άρη σχηματίζεται όταν τα θειικά άλατα σιδήρου θερμαίνονται πάνω από τους 100°C. Δεδομένα από τις περιοχές του Valles Marineris υποδηλώνουν ότι γεωθερμικές διεργασίες μετέβαλαν αρχέγονα κοιτάσματα θειικών αλάτων.
Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications αναφέρει την ανακάλυψη ενός θειικού σιδήρου στον Άρη, ο οποίος ενδέχεται να αποτελεί ένα άγνωστο μέχρι πρότινος ορυκτό. Το θείο αφθονεί στον πλανήτη και συχνά συνδυάζεται με άλλα στοιχεία για τη δημιουργία θειικών ορυκτών. Στη Γη, τα περισσότερα θειικά άλατα διαλύονται εύκολα όταν εκτίθενται στη βροχή.
Ο Άρης, ωστόσο, έχει μια εξαιρετικά ξηρή επιφάνεια. Εξαιτίας αυτού, τα θειικά ορυκτά μπορούν να παραμείνουν σταθερά για δισεκατομμύρια χρόνια, διατηρώντας πολύτιμα στοιχεία για τις πρώιμες συνθήκες του πλανήτη. Κάθε ορυκτό έχει τη δική του κρυσταλλική δομή και φυσικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένων γνωστών παραδειγμάτων όπως ο γύψος και ο αιματίτης.
Η συμβολή της τεχνολογίας και των εργαστηριακών πειραμάτων
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν μετρήσεις από διαστημικά σκάφη που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον Άρη για να εντοπίσουν ορυκτά στην επιφάνεια του πλανήτη και να αναπαραστήσουν τα περιβάλλοντα στα οποία σχηματίστηκαν αυτά τα ορυκτά.
Για σχεδόν δύο δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να εξηγήσουν ασυνήθιστα στρωματοποιημένα θειικά άλατα σιδήρου που εμφανίζουν ένα ιδιαίτερο φασματικό σήμα στα δεδομένα από τροχιά.
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τη Δρ. Janice Bishop, ανώτερη ερευνήτρια στο Ινστιτούτο SETI και στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA στη Silicon Valley της Καλιφόρνια, συνδύασε εργαστηριακά πειράματα με δορυφορικές παρατηρήσεις του Άρη. Η εργασία τους προσδιόρισε και περιέγραψε μια σπάνια φάση υδροξυθειικού τρισθενούς σιδήρου.
Επίκεντρο της έρευνας: Aram Chaos και Juventae Chasma
Τα ευρήματα παρέχουν μια νέα κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η θερμότητα, το νερό και οι χημικές διεργασίες έχουν διαμορφώσει την επιφάνεια του Άρη. «Ερευνήσαμε δύο τοποθεσίες που φέρουν θειικά άλατα κοντά στο αχανές σύστημα φαραγγιών Valles Marineris, οι οποίες περιλάμβαναν μυστηριώδεις φασματικές ζώνες που παρατηρήθηκαν από δεδομένα τροχιάς, καθώς και στρωματοποιημένα θειικά άλατα και ενδιαφέρουσα γεωλογία», δήλωσε η Bishop.
Η έρευνα επικεντρώθηκε σε δύο τοποθεσίες. Η μία ήταν το Aram Chaos, βορειοανατολικά του Valles Marineris, όπου κάποτε έρεε αρχαίο νερό προς τις χαμηλότερες βόρειες περιοχές.
Η άλλη ήταν το οροπέδιο πάνω από το Juventae Chasma, ένα φαράγγι βάθους περίπου 5 χιλιομέτρων που βρίσκεται ακριβώς βόρεια του Valles Marineris. Η περιοχή κοντά στους γκρεμούς του Valles Marineris διατηρεί ίχνη ενός πιο υγρού παρελθόντος με ορατά αρχαία κανάλια νερού, ενώ συγκεντρώσεις θειικών αλάτων υποδεικνύουν αργή εξάτμιση λιμνών.
Η παρουσία αυτών των ορυκτών σε στρώσεις πάνω και κάτω από βασαλτικά πετρώματα υποδηλώνει ότι τα κοιτάσματα θερμάνθηκαν από λάβα ή ηφαιστειακή τέφρα μετά τον σχηματισμό τους.
Γεωλογική ιστορία και ο ρόλος του νερού
«Η διερεύνηση των μορφολογιών και των στρωματογραφιών αυτών των τεσσάρων μονάδων σύστασης μας επέτρεψε να προσδιορίσουμε την ηλικία και τις σχέσεις σχηματισμού μεταξύ των διαφορετικών μονάδων», δήλωσε η Δρ. Catherine Weitz, μια από τους συγγραφείς της μελέτης και ανώτερη επιστήμονας στο Ινστιτούτο Πλανητικής Επιστήμης.
Θειικά ορυκτά εμφανίζονται σε ολόκληρη την περιοχή Valles Marineris, συμπεριλαμβανομένων των τραχιών περιοχών γνωστών ως “χαοτικά εδάφη“. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτά τα τοπία σχηματίστηκαν όταν ισχυρές πλημμύρες αναδιαμόρφωσαν την επιφάνεια πριν από πολύ καιρό. Καθώς το νερό εξαφανιζόταν, άφησε στρωματοποιημένα κοιτάσματα θειικού σιδήρου και μαγνησίου, τα οποία αποτελούν σημαντικά τεκμήρια για το πιο υγρό παρελθόν του Άρη.
Σε ένα χαοτικό έδαφος που αναπτύχθηκε μέσα σε έναν αρχαίο κρατήρα πρόσκρουσης, τα ανώτερα στρώματα περιέχουν πολυένυδρα θειικά άλατα, ενώ τα βαθύτερα στρώματα περιέχουν μονοένυδρα θειικά άλατα και υδροξυθειικό τρισθενή σίδηρο.
Κάθε ένα από αυτά τα θειικά ορυκτά παράγει μια μοναδική φασματική υπογραφή που μπορούν να ανιχνεύσουν τα όργανα των διαστημικών σκαφών. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το όργανο CRISM για να τα ταυτοποιήσουν από τροχιά. Η σειρά των στρωμάτων ήταν αρχικά δύσκολο να εξηγηθεί.
Η χημική μεταμόρφωση των θειικών αλάτων
Εργαστηριακά πειράματα αποκάλυψαν ότι η θέρμανση των πολυένυδρων θειικών αλάτων στους 50°C περίπου δημιουργεί μονοένυδρες μορφές, ενώ θερμοκρασίες άνω των 100°C παράγουν υδροξυθειικό τρισθενή σίδηρο. Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η γεωθερμική θερμότητα πιθανότατα οδήγησε στους μετασχηματισμούς των ορυκτών.
Τα πολυένυδρα και μονοένυδρα θειικά άλατα είναι ευρέως διαδεδομένα σε όλη την περιοχή. Αντίθετα, ο υδροξυθειικός τρισθενής σίδηρος εμφανίζεται μόνο σε λίγες, περιορισμένες περιοχές. Οι θερμότερες γεωθερμικές πηγές πιθανότατα υπήρχαν κάτω από τις τοποθεσίες όπου εντοπίζεται σήμερα ο υδροξυθειικός τρισθενής σίδηρος.
Επιπλέον κοιτάσματα ενδέχεται να παραμένουν κρυμμένα κάτω από στρώματα μονοένυδρων θειικών αλάτων. Για την καλύτερη κατανόηση αυτών των αλλαγών, επιστήμονες στο Ινστιτούτο SETI και στο NASA Ames διεξήγαγαν εργαστηριακά πειράματα που αναπαρήγαγαν τη μεταμόρφωση των θειικών ορυκτών. Η αλληλουχία ξεκινά με τον ροζενίτη (Fe²⁺SO₄·4H₂O), ο οποίος περιέχει τέσσερα μόρια νερού ανά μονάδα κυψελίδας.
Η θέρμανση τον μετατρέπει σε σομολνοκίτη (Fe²⁺SO₄·H₂O), ο οποίος περιέχει ένα μόριο νερού. Η περαιτέρω θέρμανση παράγει υδροξυθειικό τρισθενή σίδηρο, όπου το υδροξύλιο (OH) αντικαθιστά το νερό (H₂O) στη δομή του ορυκτού.
«Τα πειράματά μας υποδηλώνουν ότι αυτός ο υδροξυθειικός τρισθενής σίδηρος σχηματίζεται μόνο όταν τα ένυδρα θειικά άλατα του δισθενούς σιδήρου θερμανθούν παρουσία οξυγόνου», δήλωσε ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Δρ. Johannes Meusburger στο NASA Ames. «Παρόλο που οι αλλαγές στην ατομική δομή είναι πολύ μικρές, αυτή η αντίδραση αλλάζει δραστικά τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα ορυκτά απορροφούν το υπέρυθρο φως, γεγονός που επέτρεψε την ταυτοποίηση αυτού του νέου ορυκτού στον Άρη με τη χρήση του CRISM».
Αυτή η χημική αντίδραση απαιτεί αέριο οξυγόνο και απελευθερώνει νερό (Εξίσωση 1). Ο Άρης διαθέτει σήμερα μια λεπτή ατμόσφαιρα που αποτελείται κυρίως από CO₂, αλλά εξακολουθεί να περιέχει αρκετό οξυγόνο ώστε να πραγματοποιηθεί αυτή η αντίδραση και να οξειδωθούν τα ορυκτά του σιδήρου.
Εξίσωση 1: 4 Fe²⁺SO₄·H₂O + O₂ → 4 Fe³⁺SO₄OH + 2H₂O
Εργαστηριακές αποδείξεις για την πιθανότητα ενός νέου ορυκτού
«Το υλικό που σχηματίστηκε σε αυτά τα εργαστηριακά πειράματα είναι πιθανότατα ένα νέο ορυκτό λόγω της μοναδικής κρυσταλλικής δομής και της θερμικής σταθερότητάς του», δήλωσε η Bishop. «Ωστόσο, οι επιστήμονες πρέπει επίσης να το βρουν στη Γη για να το αναγνωρίσουν επίσημα ως νέο ορυκτό».
Ο πρόσφατα ταυτοποιημένος υδροξυθειικός τρισθενής σίδηρος έχει δομή παρόμοια με τον σομολνοκίτη, ο οποίος είναι ένα ορυκτό μονοένυδρου θειικού δισθενούς σιδήρου. Ωστόσο, φαίνεται να σχηματίζεται πιο εύκολα από τον ροζενίτη, ένα ορυκτό τετραένυδρου θειικού άλατος.
Η μετατροπή των ένυδρων θειικών αλάτων του δισθενούς σιδήρου σε υδροξυθειικό τρισθενή σίδηρο απαιτεί θερμοκρασίες άνω των 100°C, οι οποίες είναι πολύ υψηλότερες από τις τυπικές θερμοκρασίες επιφανείας στον Άρη.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι τα θειικά άλατα στο Aram Chaos και στο Juventae, συμπεριλαμβανομένου του υδροξυθειικού τρισθενούς σιδήρου, σχηματίστηκαν μεταγενέστερα από το γύρω έδαφος, πιθανώς κατά την Αμαζόνια περίοδο (πριν από λιγότερο από 3 δισεκατομμύρια χρόνια).
Η μελέτη υποδεικνύει ότι η θερμότητα από την ηφαιστειακή δραστηριότητα στο οροπέδιο Juventae και η γεωθερμική ενέργεια κάτω από το Aram Chaos θα μπορούσαν να μετατρέψουν τα κοινά ένυδρα θειικά άλατα σε υδροξυθειικό τρισθενή σίδηρο.
Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι τμήματα του Άρη παρέμειναν χημικά και θερμικά ενεργά πιο πρόσφατα από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως. Τα ευρήματα παρέχουν μια νέα ματιά στην εξελισσόμενη επιφάνεια του πλανήτη και την προγενέστερη δυνατότητά του να υποστηρίξει ζωή.
