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).

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).

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%. Примерно такой же процент составляет так называемая аморфная, или «нанофаза» в марсианской пыли.

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. 

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.

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

Источник: Элементы