POWIERZCHNIA MARSA (ang. regolith)

Dyskusję chemii radiacyjnej fazy stałej pokrywającej skorupę Marsa trzeba rozpocząć od zanalizowania, jaki jest jej skład chemiczny. Niestety, niewiele o po­ wierzchni Marsa wiemy. Najświeższa monografia H. Palme’a i A. Jonesa obejmu­

C H E M IA R A D IA C Y JN A W EK S PL O R A C JI M A R SA 479 jąca rozdział poświęcony procentowemu udziałowi pierwiastków [13] wykazuje, na jak kruchych podstawach wyciągane są wnioski. Dopiero wiercenia i pobieranie do badań rdzeni z Marsa będzie mogło rzucić więcej światła na chemiczny skład tej planety, a nietrudno wyobrazić sobie, jakich to będzie wymagało kosztów eksplora­ cyjnych. Należy mieć nadzieję, że wstępne wiercenia wykonają automatyczne roboty, bo najw ażniejsze jest znalezienie lodu wodnego jako niezbędnego warunku późniejszej załogowej eksploracji Marsa.

Do zbadania powierzchni Marsa nie przyczyniły się przypuszczenia, że nie­ które meteoryty znajdywane na Ziemi zostały wybite z jego powierzchni, szczegól­ nie najbardziej sławny z nich zawierający rzekome dowody życia w postaci skamie­ niałości przypominającej perełkowatą kolonię bakteryjną. Prawdopodobieństwo wybi­ cia fragmentu powierzchni Marsa, uzyskania odpowiedniej prędkości kosmicznej i spełnienia szeregu innych warunków jest znikome i zostało obliczone przez Clarka [14]; w języku polskim zostało opisane w artykule udowadniającym małe prawdo­ podobieństwo panspermii [1],

Przenoszenie doświadczeń ziemskiej geologii na Marsa skupia się na idei poszu­ kiwania oddziaływań między minerałami a wodą. Rzecz w tym, że woda mogłaby być ukryta jako woda hydratacyjna w strukturze krystalicznej, np. krzemianów. Ma to miejsce w ziemskim betonie, który zawiera do 20 procent H ,0, czego „nie widać”, bo od chwili pełnego związania wody beton robi wrażenie całkowicie bez­ wodnego. Woda w betonie rozpoznawalna jest jednak w oparciu o badania fizyko­ chemiczne, np. na podstawie widma mikrofalowego, podczerwonego oraz w opar­ ciu o neutronografię, choć w tym ostatnim wypadku metoda rozpoznaje wodór, który może, lecz nie musi, należeć do wody hydratacyjnej. Pierwsze sygnały o rze­ komej wodzie na Księżycu zostały skomentowane szybko w prasie popularno-nau­ kowej przez Zagórskiego [15], że jest to woda niekoniecznie możliwa do odzyska­ nia. Dokładniejsze rozważania na ten temat podająNoe Dobrea i wsp. [16]. Autorzy rozpoczynają od kategorycznego stwierdzenia, że w obecnych warunkach na powierzchni Marsa nie może być wody zaadsorbowanej fizycznie, bo po pierw­ szych promieniach słonecznych odparowałaby i uleciała w Kosmos.

Woda w betonie, a także w jego naturalnych analogach, które mogły powstać w historii Marsa nie je st łatwa do wydzielenia samorzutnego lub celowego (np. w czasie hipotetycznej wyprawy załogowej na Marsa). Zważywszy na ogromną rolę, jaką woda odgrywała w historii Ziemi, nawet część takich zasobów na Marsie mogłaby mieć istotny wpływ i pozostawić wyraźne ślady do dziś, nawet bez obec­ ności życia. Część wody pierwotnie istniejącej na Marsie musiała pozostać tam związana, czego dowodzą spekulacje Lammera i wsp. [10] na temat bilansu strat wody na Marsie w wyniku parowania związanego z ucieczką oraz reakcji chemicz­ nych.

Wspomniane badania spektroskopowe skupiają się na podczerwieni, szczegól­ nie strefa bliskiej podczerwieni (NIR, 1 do 4 fim) jest idealna do poszukiwania minerałów zawierających H ,0 lub grupy-OH, ponieważ mamy tu najbogatszy asor­

480 Z.P. Z A G Ó R S K I

tyment pasm odpowiadających zginaniu H—O—H, pasm rozciągających i innych zwią­ zanych z O-H. Widmo wody charakteryzuje się silnymi absorpcjami około 3 jum wynikającymi z nałożenia się symetrycznych i antysymetrycznych drgań wody oraz pierwszych modów zginania z maksimum przy 6 p.m. Pomijam pełną dyskusję wszyst­ kich pasm i szereg szczegółów i zwracam uwagę tylko na najważniejsze wnioski dotyczące minerałów zawierających wodę. Dobrym przykładem jest pasmo 1,4 ¡im: ponieważ jest ono spowodowane rozciąganiem O-H tak w OH jak i w H20 , absorp­ cja w tym paśmie może wskazywać na obecność H.O i/lub OH". Z drugiej strony, absorpcja przy 1,9 /im jest wskaźnikiem obecności wolnej H;0 jaka występuje w glinkach smektytowych. Dlatego absorpcja przy 1,4 //m wobec nieobecności absorpcji przy 1,9 //m wskazuje na obecność minerałów zawierających grupy OH, np. kaolinitu. Obserwacje z Ziemi absorpcji przy 1,4 i 1,9 /um są obciążone silnym pochłanianiem przez parę wodną w naszej atmosferze i w dodatku silną absorpcją w atmosferze Marsa przez wspomniany na początku ditlenek węgla. Zdecydowanie lepsze możliwości dało ominięcie atmosfery ziemskiej dzięki spektrografowi blis­ kiej podczerwieni (NICMOS, ang. Near-Infrared Camera Multi-Object Spectro-

graph) działającemu przy teleskopie Hubble’a (HST, ang. Hubble Space Telescope).

Nagromadzony materiał został poddany skomplikowanej, trwającej lata obróbce, której niepodobna nawet w streszczeniu tu podać. Można sformułować następujące wnioski: powierzchnia Marsa jest zróżnicowana pod względem zawartości wody w skałach powierzchniowych, od skał wyraźnie zawierających wodę, choć nie tyle co nasze betony, po wyschnięte glinokrzemiany absolutnie bezwodne. Autorzy cyto­ wanej pracy, zgłoszonej do opublikowania w końcu roku 2002, wstrzymują się od wniosków ilościowych, ponieważ oczekują ważniejszych jeszcze wyników w czasie większego zbliżenia się Marsa do Ziemi w roku 2003. Oczywiście wyniki te nie zos­ tały jeszcze ogłoszone i wiele po nich oczekujemy

Wspomniani badacze nie są jedynymi poszukującymi na Marsie minerałów i skał zawierających wodę. Ruff [17] zajął się obfitym pyłem zalegającym na powierzchni Marsa. Już wcześniejsze badania sugerowały, że mineralogicznie pył ten może być krzemianem zbliżonym do ziemskiego sodalitu, z cząsteczkami wody w jego strukturze. Ruff opiera się na pomiarach TES (ang. Thermal Emission Spec-

trometer). Wszystkie widma TES wykazują wąski, lecz wyraźny pik po obydwu

stronach 1600 cm-1. Największą wagę autor przypisuje pikowi w 1630 cm-1 charak­ terystycznemu dla wody związanej w minerałach. Jeżeli obecny jest jeszcze pik przy 830 cm-1, to jest to charakterystyczne dla zeolitów. Minerały te mogły powstać tylko w drodze wodnej transformacji szkliw wulkanicznych, w dodatku zachowując na bardzo długi czas wodę w swej strukturze. Bish i wsp. [18] zajmuje się ogólnymi warunkami stabilności uwodnionych minerałów na Marsie. Rozpatruje on ciśnienia parcjalne pary wodnej nad K, Na, Ca - klinoptilolitami w porównaniu z niemal o rząd wyższym ciśnieniem H ,0 nad lodem w temperaturze 210 K. Jest to tempera­ tura strefy podpowierzchniowej Marsa. Temperaturę nocy marsjańskiej na jego rów­ niku autorzy przyjmująjako 160 K, a dzienną jako 280 K w tym samym miejscu.

C H E M IA R A D IA C Y JN A W E K SPL O R A C JI M A R SA 481 Do kategorii minerałów zidentyfikowanych prawdopodobnie na Marsie, które musiały powstać wyłącznie w obecności w'ody, lecz już jej nie zawierają należy hematyt [19]. Obecność tego minerału jest uważana za dowód koronny obecności dużych ilości wody w historii tej planety'.

Jak widać, nawet związanej w minerałach wody na Marsie prawie nie ma. Roz­ czarować należy entuzjastów utrzymania się „marsonautów” na lokalnej wodzie. Nawet tych małych stężeń nie można odzyskać. Jednakże te niewielkie ilości wody mogą zostać uruchomione w procesie fotochemicznym o jakim wspomnę w roz­ dziale o radiacyjnych zjawiskach na granicy faz atmosfera-skorupa Marsa.

Trudno rozw ażać rolę marsjańskiej chemii radiacyjnej związanej z żywymi orga­ nizmami, jak to robiono dlaZiemi [20,21], bo bez wody nie można wyobrazić sobie życia w naszym rozumieniu. Wczesny Mars, podobnie jak Ziemia, musiał być sto­ pionym, o temperaturze co najmniej 500°C, materiałem z dominacją krzemianów. Bez pełnego stopienia nie mogłaby się uformować doskonała kula lub przynajmniej geoida. Co się działo wtedy z wodą dlaczego nie odparowała i nie umknęła w próż­ nię Kosmosu? Przypuszczenie, że po wystygnięciu wodę dostarczyły lodowate komety jest powtarzane w szeregu publikacji i stało się przedmiotem głębokiej symu­ lacji [22], Pewne szanse ma też przypuszczenie, że woda przechowała się w grubej na 1000 kilometrów warstwie paiy wodnej otaczającej gorącą Ziemię i zaczęła opadać na ochładzającą się kulę w postaci pradeszczu. Jeżeli tak, to dlaczego histo­ ria ta nie powtórzyła się na Marsie? Jeżeli teoria lodowych komet wystarczających do wytworzenia oceanów jest słuszna, to dlaczego komety te omijały Marsa? Tak czy inaczej, życie mogło powstać tylko w środowisku wody i nawet najdziwniejsze koncepcje życia nie mogą się bez niej obyć.

Rzućmy krótko okiem na owe koncepcje: Lathe [23] przypuszcza, że w pow­ staniu życia na Ziemi odegrały rolę intensywne i częste, wręcz gwałtowne przy­ pływy, sięgające do 100 km w głąb lądu. Doba ziemska trwała wówczas — podobno - tylko 5 godzin, a Księżyc był znacznie bliżej Ziemi niż obecnie. Wszystko to miało powodować szybkie cykle rozpuszczania się i krystalizacji soli. Kryształom tej ostatniej inni biolodzy, Tehei i wsp. [24] przypisują działanie ochraniające makrocząsteczki. Nie są to publikacje przekonujące, ale widać, że wszelkie speku­ lacje mogą być publikowane, bo tajemnica powstania życia jest dobrze ukryta.

Drobne ilości wody przechowane w postaci wody strukturalnej w niektórych minerałach i skałach nie są oczywiście obojętne dla odpowiedzi radiacyjnej. Można o niej wnioskować z prac w grupie autora [25]. Początkowo wydawało się, że wszel­ kie postaci wody są podatne na radiolizę, jednak z wyjątkiem bardzo czystej wody, co jest wykorzystywane w przypadku w'ody reaktorowej. Ulega ona znikomej radio- Iizie i dzięki temu wydajności produktów radiolizy - gazowy w'odór i tlen są nie­ wielkie i przy normalnym reżimie eksploatacji reaktorów z chłodziwem i moderato­ rem wodnym nie stwarzają niebezpieczeństwa wybuchu chemicznego. Okazało się, że woda związana w betonie ulega tylko niewielkiej radiolizie. Wyniki oznaczeń wodoru radiolitycznego, metodą chromatografii gazowej sprzężonej z napromie­

482 Z .P ZA G Ó R S K I

niowaniem elektronowym [26] dają wydajność 0,064 cząsteczki H, na 100 eV pochłoniętej energii, mimo że pierwotna wydajność radiolizy wody (G H Q) musi wynosić ok. 5,5. M ałą wydajność radiolizy wody w betonie tłumaczymy podobnie, jak małą wydajność radiolizy czystej wody, to znaczy niszczeniem produktów mole­

kularnych przez produkty rodnikowe, które w czystej sieci molekularnej wody nie mająinnych potencjalnych reagentów. Reguła małej wydajności radiolizy wody kry- stalizacyjnej wydaje się mieć szersze znaczenie, ponieważ równie małą wydajność obserwowaliśmy podczas radiolizy gipsu (CaS04.2H20 ), tzn. = 0,05/100 eV. Jeżeli na Marsie znaleziony będzie gips, to również można spodziewać się obecno­ ści w nim wody.

3. CHEMIA RADIACYJNA NA GRANICY ATMOSFERY