El Rover Curiosity de la NASA encuentra pistas sobre el frío y antiguo Marte enterradas en las rocas.

 Lleno de lagos salinos, el salar de Quisquiro en el Altiplano de América del Sur representa el tipo de paisaje que los científicos creen que pudo haber existido en el cráter Gale en Marte. Descargue la imagen aquí .
Créditos:
Maksym Bocharov

Al estudiar los elementos químicos en Marte hoy, incluidos el carbono y el oxígeno, los científicos pueden trabajar hacia atrás para reconstruir la historia de un planeta que alguna vez tuvo las condiciones necesarias para mantener la vida.

Tejer esta historia, elemento por elemento, desde aproximadamente 140 millones de millas (225 millones de kilómetros) de distancia es un proceso minucioso. Pero los científicos no son personas del tipo que se pueda disuadir fácilmente. Los orbitadores y rovers en Marte han confirmado que el planeta alguna vez tuvo agua líquida, gracias a pistas que incluyen cauces de ríos secos, costas antiguas y química de superficie salada. Usando el Curiosity Rover de la NASA , los científicos han encontrado evidencia de lagos de larga vida. También han desenterrado compuestos orgánicos , o componentes químicos de la vida. La combinación de agua líquida y compuestos orgánicos obliga a los científicos a seguir buscando en Marte signos de vida pasada o presente.

A pesar de la tentadora evidencia encontrada hasta el momento, la comprensión de los científicos de la historia marciana aún se está desarrollando, con varias preguntas importantes abiertas a debate. Por un lado, ¿era la antigua atmósfera marciana lo suficientemente gruesa como para mantener el planeta cálido y, por lo tanto, húmedo, durante el tiempo necesario para germinar y nutrir la vida? Y los compuestos orgánicos: ¿son signos de vida o de química que ocurre cuando las rocas marcianas interactúan con el agua y la luz solar?

En un reciente informe de Nature Astronomy sobre un experimento de varios años realizado en el laboratorio de química dentro del «estómago» de Curiosity, llamado Análisis de muestras en Marte (SAM), un equipo de científicos ofrece algunas ideas para ayudar a responder estas preguntas. El equipo descubrió que ciertos minerales en rocas en el cráter Gale pueden haberse formado en un lago cubierto de hielo. Estos minerales pueden haberse formado durante una etapa fría intercalada entre períodos más cálidos, o después de que Marte perdió la mayor parte de su atmósfera y comenzó a enfriarse permanentemente.

Esta ilustración muestra un lago de agua que llena parcialmente el cráter Gale de Marte. 
Habría sido llenado por la escorrentía de la nieve derritiéndose en el borde norte del cráter. 
La evidencia de antiguos arroyos, deltas y lagos que el rover Curiosity de la NASA ha encontrado en los patrones de depósitos sedimentarios en Gale sugiere que el cráter sostuvo un lago como este hace más de tres mil millones de años, llenándose y secándose en múltiples ciclos durante decenas de millones de años. Descargar imagen aquí.
Créditos: NASA / JPL-Caltech / ESA / DLR / FU Berlin / MSSS.

Gale es un cráter del tamaño de Connecticut y Rhode Island combinados. Fue seleccionado como el sitio de aterrizaje de Curiosity en 2012 porque tenía signos de agua pasada, incluidos minerales de arcilla que podrían ayudar a atrapar y preservar moléculas orgánicas antiguas. De hecho, mientras exploraba la base de una montaña en el centro del cráter, llamada «Mount Sharp», Curiosity encontró una capa de sedimentos de 1,000 pies (304 metros) de espesor que se depositó como barro en los lagos antiguos. Para formar tanto sedimento, una cantidad increíble de agua habría fluido hacia esos lagos durante millones a decenas de millones de años cálidos y húmedos, dicen algunos científicos. Pero algunas características geológicas en el cráter también insinúan un pasado que incluía condiciones frías y heladas.

«En algún momento, el ambiente de la superficie de Marte debe haber experimentado una transición de ser cálido y húmedo a ser frío y seco, como es ahora, pero exactamente cuándo y cómo ocurrió eso sigue siendo un misterio», dice Heather Franz , geoquímica de la NASA, con sede en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

Franz, quien dirigió el estudio SAM, señala que factores como los cambios en la oblicuidad de Marte y la cantidad de actividad volcánica podrían haber causado que el clima marciano alternara entre cálido y frío con el tiempo. Esta idea está respaldada por cambios químicos y mineralógicos en las rocas marcianas que muestran que algunas capas se formaron en entornos más fríos y otras en los más cálidos.

En cualquier caso, dice Franz, la variedad de datos recopilados por Curiosity hasta el momento sugiere que el equipo está viendo evidencia del cambio climático marciano registrado en las rocas.

Carbono y Oxígeno, protagonistas en la historia del clima marciano.

El equipo de Franz encontró evidencia de un ambiente antiguo y frío después de que el laboratorio SAM extrajo los gases dióxido de carbono, o CO 2 , y oxígeno de 13 muestras de polvo y roca. Curiosity recolectó estas muestras en el transcurso de cinco años terrestres ( años terrestres vs. años de Marte ).

El CO 2 es una molécula de un átomo de carbono unido con dos átomos de oxígeno, con el carbono como testigo clave en el caso del misterioso clima marciano. De hecho, este elemento simple pero versátil es tan crítico como el agua en la búsqueda de vida en otros lugares. En la Tierra, el carbono fluye continuamente a través del aire, el agua y la superficie en un ciclo bien comprendido que depende de la vida. Por ejemplo, las plantas absorben carbono de la atmósfera en forma de CO 2 . A cambio, producen oxígeno, que los humanos y la mayoría de las otras formas de vida usan para la respiración en un proceso que termina con la liberación de carbono al aire, nuevamente a través del CO 2 , o en la corteza terrestre a medida que las formas de vida mueren y son enterradas.

Intercambio de carbono y procesos de pérdida en Marte. 
Una vez en la atmósfera, el CO2 puede intercambiarse con los casquetes polares o disolverse en aguas, lo que puede precipitar a carbonato sólido. 
El CO2 en la atmósfera se pierde en el espacio a una velocidad controlada en parte por la actividad del Sol. A través del mecanismo descrito en el estudio, la radiación UV encuentra una molécula de CO2 y produce CO y luego átomos de C. Dado que el C-12 se elimina más fácilmente que el C-13 más pesado, la atmósfera marciana actual se enriquece en C-13.
Crédito: Lance Hayashida / Oficina de Comunicaciones Estratégicas de Caltech.

Los científicos están descubriendo que también hay un ciclo de carbono en Marte y están trabajando para comprenderlo. Con poca agua o abundante vida en la superficie del planeta rojo durante al menos los últimos 3 mil millones de años, el ciclo del carbono es muy diferente al de la Tierra.

«Sin embargo, el ciclo del carbono sigue ocurriendo y sigue siendo importante porque no solo ayuda a revelar información sobre el clima antiguo de Marte», dice Paul Mahaffy , Investigador Principal de SAM y Director de la División de Exploración del Sistema Solar  en el Centro Goddard de la NASA. «También nos muestra que Marte es un planeta dinámico que está circulando elementos que son los bloques de construcción de la vida tal como la conocemos».

Los gases crean un caso para un período frío

Después de que Curiosity introdujo muestras de roca y polvo en SAM, el laboratorio calentó cada una a casi 1.650 grados Fahrenheit (900 grados Celsius) para liberar los gases en su interior. Al observar las temperaturas del horno que liberaron el CO 2 y el oxígeno, los científicos pudieron determinar de qué tipo de minerales provenían los gases. Este tipo de información les ayuda a comprender cómo se está ciclando el carbono en Marte.

Varios estudios han sugerido que la atmósfera antigua de Marte, que contienía principalmente CO 2 , puede haber sido más gruesa que la de la Tierra en la actualidad. La mayor parte se ha perdido en el espacio , pero algunos pueden almacenarse en rocas en la superficie del planeta, particularmente en forma de carbonatos, que son minerales hechos de carbono y oxígeno. En la Tierra, los carbonatos se producen cuando el CO 2 del aire se absorbe en los océanos y otros cuerpos de agua y luego se mineraliza en rocas. Los científicos piensan que el mismo proceso ocurrió en Marte y que podría ayudar a explicar lo que le sucedió a parte de la atmósfera marciana.

Sin embargo, las misiones a Marte no han encontrado suficientes carbonatos en la superficie para soportar una atmósfera espesa.

Sin embargo, los pocos carbonatos que SAM detectó revelaron algo interesante sobre el clima marciano a través de los isótopos de carbono y oxígeno almacenados en ellos. Los isótopos son versiones de cada elemento que tienen masas diferentes. Debido a que diferentes procesos químicos, desde la formación de rocas hasta la actividad biológica, usan estos isótopos en diferentes proporciones, las proporciones de isótopos pesados ​​a ligeros en una roca proporcionan a los científicos pistas sobre cómo se formó la roca.

En algunos de los carbonatos que encontró SAM, los científicos notaron que los isótopos de oxígeno eran más ligeros que los de la atmósfera marciana. Esto sugiere que los carbonatos no se formaron hace mucho tiempo simplemente de CO 2 atmosférico absorbido en un lago. Si lo hubieran hecho, los isótopos de oxígeno en las rocas habrían sido un poco más pesados ​​que los del aire.

Si bien es posible que los carbonatos se formaron muy temprano en la historia de Marte, cuando la composición atmosférica era un poco diferente de lo que es hoy, Franz y sus colegas sugieren que los carbonatos probablemente se formaron en un lago helado. En este escenario, el hielo podría haber aspirado isótopos pesados ​​de oxígeno y dejar los más livianos para formar carbonatos más tarde. Otros científicos de Curiosity también han presentado evidencia que sugiere que los lagos cubiertos de hielo podrían haber existido en Gale Crater.

Entonces, ¿dónde está todo el carbono?

La baja abundancia de carbonatos en Marte es desconcertante, dicen los científicos. Si no hay muchos de estos minerales en el cráter Gale, tal vez la atmósfera inicial fue más delgada de lo previsto. O tal vez algo más está almacenando el carbono atmosférico faltante.

Con base en su análisis, Franz y sus colegas sugieren que parte del carbono podría ser secuestrado en otros minerales, como los oxalatos, que almacenan carbono y oxígeno en una estructura diferente a la de los carbonatos. Su hipótesis se basa en las temperaturas a las que se liberó el CO 2 de algunas muestras dentro de SAM, demasiado bajas para los carbonatos, pero adecuadas para los oxalatos, y en las diferentes proporciones de isótopos de carbono y oxígeno que los científicos vieron en los carbonatos.

Esta imagen animada muestra un modelo 3D de una molécula de carbonato junto a un modelo 3D de una molécula de oxalato. 
El carbonato está hecho de un átomo de carbono que está unido con tres átomos de oxígeno. 
El oxalato está hecho de dos átomos de carbono unidos con cuatro átomos de oxígeno.
Créditos: James Tralie / NASA / Goddard Space Flight Center.

Los oxalatos son el tipo más común de mineral orgánico producido por las plantas en la Tierra. Pero los oxalatos también se pueden producir sin biología. Una forma es a través de la interacción del CO 2 atmosférico con minerales superficiales, agua y luz solar, en un proceso conocido como fotosíntesis abiótica. Este tipo de química es difícil de encontrar en la Tierra porque hay abundante vida aquí, pero el equipo de Franz espera crear una fotosíntesis abiótica en el laboratorio para determinar si realmente podría ser responsable de la química del carbono que están viendo en Gale Crater.

En la Tierra, la fotosíntesis abiótica puede haber allanado el camino para la fotosíntesis entre algunas de las primeras formas de vida microscópicas, por lo que encontrarla en otros planetas interesa a los astrobiólogos.

Incluso si resulta que la fotosíntesis abiótica bloqueó algo de carbono de la atmósfera en las rocas en Gale Crater, a Franz y sus colegas les gustaría estudiar el suelo y el polvo de diferentes partes de Marte para entender si sus resultados de Gale Crater reflejan una imagen global. Es posible que algún día tengan la oportunidad de hacerlo. El rover Perseverance Mars de la NASA  , que se lanzará a Marte entre Julio y Agosto de 2020, planea empacar muestras en el cráter Jezero para un posible regreso a los laboratorios en la Tierra. 

Fuente:  Mars Science Laboratory (Curiosity) /  NASA Goddard Space Flight Center.

Artículo original: «NASA’s Curiosity Rover Finds Clues to Chilly Ancient Mars Buried in Rocks«. Lonnie Shekhtman. Last Updated: May 20, 2020.

Material relacionado.

Los lagos congelados estacionales aparecen en todo Marte, mostrando evidencia de agua (no líquida) en la superficie. Estas son solo algunas de las muchas líneas de evidencia que apuntan a un pasado acuoso en Marte.
Créditos: ESA / DLR / FU BERLÍN (G. NEUKUM).

Pérdida de Carbono en la pérdida atmosférica de Marte:

Al considerar cómo la atmósfera marciana temprana pudo haber pasado a su estado actual, existen dos posibles mecanismos para la eliminación del exceso de dióxido de carbono (CO 2 ). O bien el CO 2 se incorporó a minerales en rocas llamadas carbonatos o se perdió en el espacio.

Un estudio escrito por Bethany Ehlmann , Profesora Asistente de Ciencia Planetaria y Científica Investigadora del JPL, utilizó datos de varios satélites en órbita de Marte para inventariar rocas carbonatadas, lo que demostró que no hay suficientes carbonatos en el kilómetro superior de la corteza para explicar la falta de carbono actual en la atmósfera respecto de una atmósfera temprana muy espesa que podría haber existido hace unos 3.800 millones de años.

Entonces, ¿Cómo se perdió el Carbono faltante? Una explicación la presenta el siguiente artículo:

Marte y la Tierra, a escala, muestran cuánto más grande y más amigable para la vida es nuestro planeta que nuestro vecino rojo. Marte, el planeta rojo, no tiene campo magnético para protegerlo del viento solar, lo que significa que pierde su atmósfera de una manera que la Tierra no lo hace.
Crédito: NASA.

Un excelente artículo que presenta la evolución comparativa de la Tierra y Marte y la explicación de la pérdida atmosférica de Martecon los resultados de la misión MAVEN es:

El Marte primitivo, probablemente tenía una atmósfera más densa con más vapor de dióxido de carbono y agua, proporcionado por la actividad volcánica vigorosa. Este Marte era más cálido y húmedo, y la mayor presión atmosférica presente, permitió que fluyese el agua en la superficie. Sin embargo, por cerca de 4 mil millones años, el medio ambiente de Marte se convirtió en frío y seco, como lo es ahora. A medida que el interior de Marte se enfrió, los gases y el vapor de agua provenientes del vulcanismo se redujeron gradualmente y el campo magnético desapareció. Carente entonces de protección, la atmósfera fue erosionada por el viento solar, y la superficie de Marte estaba bañada en radiación.
Crédito: LPI – USRA.

El viento solar y la radiación son responsables de despojar  la atmósfera de Marte,  transformando a un planeta que podría haber soportado la vida hace cerca de 4 mil millones de años atrás en un mundo gélido y desierto, según los nuevos resultados de la nave espacial MAVEN de la NASA:

Los investigadores esperan que los volcanes en la región Sisyphi Planum de Marte se vean de forma similar a los volcanes subglaciales en la Tierra, como Herðubreið en IslandiaMás información.
Crédito: Purdue University/Sheridan Ackiss).

El clima a lo largo de la historia temprana de Marte se debatió durante mucho tiempo: ¿era el planeta rojo cálido y húmedo, o frío y helado? Una nueva investigación publicada en Ícaro proporciona evidencia para este último:

Cambios en la inclinación del eje de Marte. La Tierra de hoy en día experimenta cambios cíclicos en el clima y, en consecuencia, en la distribución del hielo. A diferencia de la Tierra, la oblicuidad (o inclinación del eje de rotación) de Marte cambia sustancialmente en escalas de tiempo de cientos de miles a millones de años. En la oblicuidad actual de aproximadamente 25 grados de inclinación en el eje de rotación de Marte, el hielo está presente en cantidades relativamente modestas en los polos norte y sur (arriba a la izquierda). Este esquema muestra que el hielo se acumula cerca del ecuador cuando la oblicuidad es alta (arriba a la derecha) y los polos se agrandan con oblicuidades muy bajas (abajo) (Referencias: Laskar et al., 2002; Head et al., 2003).  
Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech.

Sobre la variación caótica de la oblicuidad de Marte y el Clima:

Curiosidades:

¿Cuándo perdió Marte su campo magnético global?

Flujo magnetizado de lava en Lucus Planum . 
Los nuevos datos de MAVEN detectaron evidencia clara de un campo magnético proveniente del flujo de lava de Lucus Planum, que se formó hace unos 3.700 millones de años y mostró evidencia de un campo magnético. Esto indica que un campo magnético marciano existió mucho más tarde de lo que sugieren estudios previos de otras áreas.
Crédito: NASA.

Hace miles de millones de años, Marte fue una vez un lugar muy diferente al lugar frío y seco que es hoy. Básicamente, tenía una atmósfera más gruesa y cálida y agua líquida que fluía en su superficie, ¡y tal vez incluso vida! La razón de esto es porque, al igual que la Tierra, Marte tenía un campo magnético planetario generado por la acción en su núcleo. Pero cuando ese campo desapareció, ¡las cosas comenzaron a cambiar drásticamente!

Durante años, los científicos creyeron que este campo desapareció hace más de 4 mil millones de años, lo que provocó que la atmósfera de Marte fuera lentamente eliminada por el viento solar. Pero según una nueva investigación dirigida por la Universidad de Columbia Británica (UBC), ha impuesto nuevas restricciones sobre cuándo desapareció este campo magnético, lo que indica que el campo magnético de Marte existió antes y duró cientos de millones de años más de lo que se pensaba anteriormente.

El siguiente artículo lo presenta:


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