Цвет Красной планеты объясняется наличием в марсианской пыли ферригидрита

Рис. 1. Полноцветное изображение Марса, полученное 14 августа 2021 года многодиапазонной камерой Emirates eXploration Imager (EXI), установленной на борту автоматической межпланетной станции «Аль-Амаль» космического агентства UAESA (ОАЭ). Фото из обсуждаемой статьи в Nature Communications

В экспериментальном исследовании международная группа ученых создала в лабораторных условиях имитацию марсианской пыли, смешав вулканический базальт с разными типами оксидов железа. Оказалось, что спектральные характеристики реального марсианского грунта лучше всего совпадают со смесями с ферригидритом — минералом, который формируется только в присутствии холодной воды. Авторы доказывают, что основным компонентом оксида железа марсианской пыли, придающим ей характерный красноватый оттенок, является именно ферригидрит, а не безводные минералы типа гётита и гематита, как считали раньше. По мнению исследователей, эта гидратированная фаза железа образовалась на последних стадиях раннего этапа развития Марса, в водных окислительных условиях.

Марс не случайно называют Красной планетой. Цветом своей поверхности он отличается от других планет Солнечной системы. Римляне дали ему имя в честь бога войны, так как считали, что его цвет напоминает кровь. А египтяне называли планету «Хер Дешер», что означает «красная».

Благодаря наблюдениям, выполненным многочисленными миссиями к Марсу в течение последних десятилетий, ученые установили, что красный цвет поверхности планеты связан с преобладанием в марсианском реголите оксидов железа. Образующаяся при его выветривании пыль поднимается в атмосферу, усиливая красноватое свечение (рис. 1).

Первоначально, на основе анализа наблюдений спектрометра OMEGA, установленного на борту автоматической межпланетной станции «Марс-экспресс» Европейского космического агентства (ESA) ученые предположили, что красноватый оттенок марсианской почве придают безводные окислы железа, такие как гематит (Fe₂O₃) или маггемит (γ-Fe₂O₃). Минералогические модели показывали, что эти минералы могли накопиться в марсианской пыли в результате длительного непрерывного окисления и выветривания в условиях сухой поверхности в течение всего амазонийского периода, охватывающего последние 3 миллиардов лет марсианской истории.

Однако более поздние наблюдения, в том числе с помощью спектрометра CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) миссии Mars Reconnaissance Orbiter НАСА, выявили спектральные особенности, связанные с присутствием гидратированных минералов.

Еще позднее, данные, собранные мёссбауровским спектрометром MIMOSII Mössbauer, установленным на марсоходах программы НАСА Mars Exploration Rover («Спирит» и «Оппортьюнити»), показали присутствие в марсианском грунте миллиметровых сферул гематита и гётита (FeO(OH)), а также неопределенной фазы оксида железа, получившей условное название «нанофаза NpOx». Примечательно, что в самой мелкой фракции марсианской пыли эта фаза встречалась повсеместно, а ее содержание коррелировало с содержанием серы и хлора, в то время как в неизмененных породах (базальтах, богатых оливином), концентрация «нанофазы» была заметно ниже. Все это указывало на то, что «нанофаза» является продуктом химического изменения базальтов.

Дополнительную информацию о составе марсианской пыли дали результаты программы Mars Science Laboratory, выполненной марсоходом «Кьюриосити». В состав установленного на его борту аналитического набора ChemCam (Chemistry and Camera) входил прибор лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (LIBS), проводивший анализ пыли, присутствующей в атмосфере. На протяжении многих лет ChemCam фиксировал в атмосферной пыли Марса стабильный сигнал водорода, который не демонстрировал суточных колебаний, что предполагает, что водород химически связан в минеральном веществе пылевых частиц.

Данные приборного комплекса CheMin того же марсохода «Кьюриосити», который исследовал химический и минералогический состав марсианского грунта с помощью рентгеноструктурного и рентгенофлуоресцентного анализа, указывают на то, что около трети материала, входящего в состав реголита, представлено аморфной фазой, а пыль по составу похожа на основную часть базальтовой коры Марса, но обогащена SO₃, Cl и Fe, что согласуется с предыдущими наблюдениями.

Аналитический комплекс SAM (Sample Analysis at Mars) «Кьюриосити», включающий квадрупольный масс-спектрометр (анализирующий газы, отобранные из атмосферы или выделяемые из твердых образцов при нагревании), газовый хроматограф (разделяющий сложные газовые смеси на молекулярные компоненты) и настраиваемый диодно-лазерный абсорбционный спектрометр (выполняет точные измерения соотношений изотопов кислорода и углерода), обнаружил в газах, выделяемых из образцов при нагревании до 835°C, летучие соединения — H₂O, SO₂, CO₂ и O₂. Причем вода устойчиво ассоциировала с аморфной фазой. Однако минералогическая природа этой фазы до сих пор оставалась неясной.

Авторы нового исследования, проведенного международной группой ученых из США, Швейцарии, Франции, Великобритании и Канады и опубликованного в журнале Nature Communications, доказывают, что доминирующей фазой в марсианской пыли, которая и придает ей характерный оттенок, является ферригидрит (Fe₅O₈H·nH₂O) — плохо кристаллизованный, гидратированный минерал оксида железа (см. ferrihydrite).

В земных условиях ферригидрит образуется при осаждении из теплых растворов, богатых железом, при их встрече с холодной водой (рис. 2, а), либо в результате метаболической активности бактерий. Исследователи создали в лаборатории образец, имитирующий марсианскую пыль, обогащенную ферригидритом (рис. 2, b), и сравнили ее спектральные характеристики с данными марсианских миссий. Результаты показали, что спектр полученной смеси в целом соответствует спектру марсианской пыли (рис. 2, с).

Рис. 2. а — отложения ферригидрита на полу лавовой пещеры Грута-Дос-Балкойнс (остров Терсейра, Азорские острова, Португалия) — богатая железом вода просачивается из базальтового потолка пещеры, образуя сталактиты и осаждается на земле. b — лабораторный образец, имитирующий марсианскую пыль. Тонкопорошковая смесь состоит из ферригидрита и измельченного базальта с частицами размером менее одного микрометра. Размер образца — 1 дюйм в поперечнике. с — сравнение спектра (зависимости отражательной способности (reflectance) от длины волны (wavelength)) марсианской пыли (красный) и имитационной смести базальта и ферригидрита (синий). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Всего исследователи использовали для имитационных смесей девять различных минеральных фаз железа: магнетит (FeO·Fe₂O₃), маггемит, гётит, гематит, ферригидрит, лепидокрокит (γ-FeO(OH)), акагенеит (см. akaganeite, FeO(OH,Cl)), фероксигит (см. feroxyhyte, δ-FeO(OH)) и швертманнит (см. schwertmannite, Fe₈O₈(OH)₆(SO₄)·nH₂O). Оказалось, что спектральная кривая имитационной смеси с ферригидритом в видимой части спектра практически идеально совпадает с интегральной кривой, составленной по результатам наблюдений различных марсианских миссий, в отличие от спектральных линий тонкопорошковых смесей базальта с другими оксидами/гидроксидами железа (рис. 3).

Рис. 3. а — сравнение видимой части спектра лабораторной смеси базальта и ферригидрита (синий) с наблюдениями различных марсианских миссий; b — спектры тонкопорошковых лабораторных смесей базальта с гематитом (красный), ферригидритом (синий), акаганеитом (зеленый), гётитом (сиреневый) и швертманнитом (желтый). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Исследователи также проанализировали спектральные характеристики лабораторных базальтовых смесей с разным процентным содержанием ферригидрита. Эксперименты показали, что максимально приближены к параметрам марсианской пыли смеси с содержанием ферригидрита от 20 до 33% (рис. 4). Примерно такой же процент составляет так называемая аморфная, или «нанофаза» в марсианской пыли.

Рис. 4. Спектральные характеристики базальтовых смесей с разным содержанием ферригидрита. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Еще один вопрос, на который попытались ответить авторы исследования, — является ли ферригидрит термодинамически стабильным в современных марсианских условиях. В земных условиях ферригидрит — метастабильный аморфный минерал, который со временем трансформируется в более термодинамически стабильные кристаллические фазы, такие как гематит и гётит.

Существует два основных пути кристаллизации ферригидрита в другие фазы оксида железа. Первый путь, известный как твердофазное превращение, требует высоких температур. При сухом нагревании до 200–1000°C ферригидрит постепенно дегидратируется и кристаллизуется в форме гематита. Однако современные марсианские условия при очень низком парциальном давлении водяного пара в атмосфере характеризуются значительно более низкими температурами (около −70°C).

Другой путь — реконструктивное преобразование, которое включает растворение и осаждение в водных растворах, что обычно приводит к кристаллизации сначала гётита, а затем гематита. Этот процесс в значительной степени зависит от pH и температуры воды. Низкие значения pH (высокая кислотность) и низкие температуры замедляют это преобразование.

Проведенный авторами 40-дневный эксперимент по дегидратации чистого ферригидрита показал, что в моделируемых «современных марсианских» условиях (температура, давление, СО₂-атмосфера, УФ-облучение) ферригидрит теряет часть адсорбированной H₂O, сохраняя при этом свою скрытокристаллическую структуру и не переходит в другие фазы оксида-гидроксида железа (рис. 5).

Рис. 5. a — спектры чистого ферригидрита в условиях дегидратации в течение 966 часов. Воздействие имитированных «современных марсианских» условий приводит к значительной дегидратации и потере воды в ферригидрите, на что указывает удаление полосы 1,9 мкм; b — рентгеновские дифракционные картины ферригидрита до (черный) и после (красный) дегидратации. Образец чистого ферригидрита не изменил фазу и не кристаллизовался, как показывает рентгеноструктурный анализ. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Помимо определения минеральной формы нахождения железа в марсианской пыли важным является вопрос происхождения ферригидрита на Марсе. Спектральные особенности указывают на его тесную ассоциацию с другими производными вулканических пород. Отсюда авторы делают вывод о том, что первичным источником железа являлись марсианские базальты. Железо могло высвобождаться из минералов базальтов либо путем сухого физического выветривания, либо при преобразовании базальтов в водной среде.

Определить происхождение ферригидрита косвенным образом можно по размеру его зерен. При физическом выветривании эоловые процессы способствуют истиранию ферригидрита в тонкую пыль с последующим образованием нескольких кристаллических фаз. Когда же ферригидрит выпадает из раствора, он изначально образует очень мелкие кристаллиты размером 2–3 нм, а после высыхания формирует более крупные агрегаты. Размер ферригидрита в данном исследовании (около 500 нм) и его соответствие марсианским спектральным данным предполагает, что агрегация нанокристаллитов происходила в условиях быстрого осаждения в водной среде с последующим высыханием. В земных условиях ферригидрит также часто образуется в зонах развития вулканических пород, в обстановках с холодной водной средой, таких, например, как лавовые пещеры. В более теплой водной среде, как правило, главным продуктом преобразования базальтов являются смектиты.

В представлении авторов исследования, формирование ферригидрита происходило в обстановке водного окислительного выветривания, имевшей место в позднегесперийское время, примерно 3 млрд дет назад. В это время периоды с температурой на поверхности выше нуля, когда происходило таяние ледников, сменялись холодными, засушливыми периодами. До этого планета пережила эпоху интенсивной вулканической активности, и взаимодействие базальтов с жидкой водой и льдом создавало условия, благоприятные для образования ферригидрита. Исследователи считают, что такой режим существовал не так долго, и процесс осаждения ферригидрита из растворов, содержащих продукты размыва базальтов, был достаточно быстрым. В конце гесперийского периода произошел переход к более кислым и засушливым условиям. После этого, в течение длительного времени, отложения с ферригидритом разрушались эоловой эрозией и переносились посредством ветровой активности и пылевых бурь, пока частицы красновато-бурого цвета не распространились по всей поверхности Марса и в его атмосфере (рис. 6).

Рис. 6. Как Марс стал Красной планетой. Более 3 млрд лет назад Марс был «влажным» миром, а на его поверхности действовали вулканы, которые растапливали ледники. Базальтовые лавы подвергались химическому выветриванию (взаимодействию с кислородом и водой в процессе окисления и гидратации). Поверхностные сточные воды переносили нерастворимое трехвалентное железо в озера и бассейны, образуя осадочные отложения. После превращения Марса в «сухой» мир, эрозионные процессы на его поверхности переработали обогащенные железом осадочные отложения, а образовавшийся при этом мелкозернистый охристый материал был разнесен по всей планете. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Благодаря своей исключительной термодинамической стабильности, частицы феррогидрита сохраняются в грунте и атмосфере Марса до сих пор, придавая Красной планете ее характерный цвет.

Источник: Adomas Valantinas, John F. Mustard, Vincent Chevrier, Nicolas Mangold, Janice L. Bishop, Antoine Pommerol, Pierre Beck, Olivier Poch, Daniel M. Applin, Edward A. Cloutis, Takahiro Hiroi, Kevin Robertson, Sebastian Pérez-López, Rafael Ottersberg, Geronimo L. Villanueva, Aurélien Stcherbinine, Manish R. Patel, Nicolas Thomas. Detection of ferrihydrite in Martian red dust records ancient cold and wet conditions on Mars // Nature Communications. 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-56970-z.

Владислав Стрекопытов