מעטות המולקולות שהצליחו לעורר עניין כה רב בחקר מאדים כמו מולקולה פשוטה אחת: מתאן. מאז תחילת שנות ה־2000 דווח שוב ושוב על זיהוי כמויות זעירות של מתאן באטמוספרה של כוכב הלכת האדמדם. רכב החלל קיוריוסיטי (Curiosity) של נאס"א, שפועל במכתש גייל (Gale Crater) מאז 2012, מדד מתאן סמוך לפני השטח ואף מצא שריכוזו משתנה בזמן. חלק מהמדידות הצביעו על מחזוריות עונתית, אחרות על הבדלים בין היום ללילה, ובמקרים מסוימים נמדדו גם עליות חדות וקצרות בריכוז הגז.
פני השטח של מאדים, כפי שצולמו על ידי רכב החלל קיוריוסיטי
(צילום: NASA/JPL-Caltech/MSSS)
אבל כאן מתחילה התעלומה. החללית האירופית מקפת שיירי הגז אקסו מארס (ExoMars Trace Gas Orbiter), שנועדה בין היתר לחפש גזי עקבות באטמוספרה של מאדים ברגישות גבוהה מאוד, לא הצליחה לזהות מתאן באטמוספרה שמעל מכתש גייל, אף שקיוריוסיטי זיהה אותו סמוך לפני השטח. במשך שנים מנסים חוקרים להסביר כיצד נוצר הפער הזה במדידות. כעת, מחקר שפורסם בכתב העת Icarus, בהשתתפות פרופ' חובב צפריר מאוניברסיטת בר-אילן ופרופ' יובל ראובני מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת אריאל וחוקר בכיר במו"פ מזרח, מציע כי מפלי טמפרטורה יומיים בקרקע של מאדים עשויים להניע גזים מתת-הקרקע אל האטמוספרה – ולספק הסבר אפשרי לשינויים העונתיים והליליים בריכוזי המתאן שנמדדו במאדים.
מאדים הוא עולם בעל אטמוספרה דלילה מאוד. כתוצאה מכך, פני הקרקע שלו מגיבים במהירות יחסית לקרינת השמש: הם מתחממים במהלך היום ומתקררים באופן משמעותי לאחר השקיעה. התוצאה היא מפלי טמפרטורה חזקים בין פני הקרקע לשכבות שמתחתיהם, המשתנים לאורך היממה. החוקרים בחנו מדידות תרמיות שבוצעו על מאדים באמצעות רכבי החלל קיוריוסיטי ופרסווירנס (Perseverance), והשוו אותן לתוצאות של ניסויי מעבדה ותצפיות שטח ארוכות-טווח שבוצעו על פני כדור הארץ. במרכז ההשוואה עומד עיקרון פיזיקלי מוכר: כאשר קיים מפל טמפרטורה בתוך תווך נקבובי, הוא יכול להשפיע על תנועת הגז שבתוכו. כאשר הטמפרטורה משתנה במהלך היממה, ובמיוחד כאשר כיוון מפל הטמפרטורה מתהפך בין יום ללילה, גם תנאי התנועה של הגז יכולים להשתנות. "אנחנו מכירים מכדור הארץ מצבים שבהם שינויים תרמיים בקרקע מלווים בתנועה מחזורית של גזים", מסביר פרופ' ראובני. "השאלה שלנו הייתה האם התנאים שנמדדים על מאדים מסוגלים לקיים מנגנון דומה. התוצאות מראות שהאפשרות הזאת בהחלט סבירה מבחינה פיזיקלית. במילים פשוטות, הקרקע במאדים עשויה להתנהג כמעין 'משאבה תרמית' טבעית".
רכב החלל פרסווירנס
(צילום: NASA/AP)
רכב החלל קיוריוסיטי
(צילום: NASA/JPL-Caltech/AP)
לדברי החוקרים, הקשר בין מחזור הטמפרטורה היומי לבין תנועת גז בתת-הקרקע עשוי לספק מנגנון פיזיקלי שיכול לתרום גם לדפוס הלילי שנצפה. "אם אנחנו רואים שינוי מחזורי בריכוז הגז מעל הקרקע, טבעי לבדוק האם קיים גם תהליך מחזורי מתחת לקרקע", אומר פרופ' חובב צפריר. "מחזור החימום והקירור של מאדים עשוי לספק מנגנון כזה".
פרופ' ראובני ופרופ' צפריר מתמקדים יחד עם עמיתיהם למחקר בהבדל בין שני מנגנונים אפשריים להובלת גז: תנועת הגז המונעת ממפלי טמפרטורה, לעומת תהליך שבו שינויי לחץ אטמוספריים מניעים גזים בתוך הקרקע (Barometric Pumping). התופעה מוכרת היטב בכדור הארץ. כאשר הלחץ האטמוספרי עולה ויורד, הוא יכול לדחוף או למשוך אוויר וגזים בתוך מערכת הנקבוביות והסדקים שבקרקע ובסלע. אפשר לחשוב על כך באופן גס כנשימה איטית של הקרקע בתגובה לשינויי הלחץ שמעליה. לכן היה הגיוני להציע שמנגנון דומה פועל גם על מאדים.
מחברי המחקר השוו את שינויי הלחץ היומיים שנמדדו על מאדים לתוצאות של ניסויים שבהם נבדקה היכולת להעביר אוויר דרך חומר סלעי נקבובי. בהתבסס על ניסויי המעבדה של החוקרים, שינויי הלחץ היומיים האופייניים למאדים קטנים מכדי להסביר לבדם מעבר משמעותי של גז דרך שכבות סלע נקבוביות בתנאים שנבדקו. "לחץ בהחלט יכול להשפיע על מערכת גאולוגית", מסביר פרופ' ראובני, "אבל השאלה היא האם הוא מספיק. כאשר משווים את הפרשי הלחץ שנמדדים על מאדים לרמות הסף שאנחנו מכירים מהניסויים, קשה לראות בשאיבה הברומטרית לבדה מנגנון שיכול להסביר את כל התופעה".
תמונה משטח הפנים של מאדים
(צילום: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS/AP)
תיעוד ממאדים, באמצעות מצלמת רכב החלל פרסווירנס
(צילום: NASA/JPL-Caltech/AP)
כדור הארץ ומאדים
(הדמיה: buradaki/Shutterstock)
אחד ההיבטים המרכזיים במחקר הוא השימוש בכדור הארץ כמעבדה טבעית להבנת תהליכים פלנטריים. החוקרים הסתמכו על ניסויים ומדידות ארוכות-טווח של תנועת גזים בתוך סלעים וקרקעות בתנאים יבשתיים, והשתמשו בהם כדי להעריך אילו תהליכים עשויים לפעול גם בסביבת מאדים. "המנגנון שאנחנו מציעים אינו אומר דבר כשלעצמו על השאלה האם המתאן ביולוגי או אביוטי", אומר פרופ' צפריר. "גם מתאן שנוצר בתהליך גאולוגי לחלוטין וגם מתאן שנוצר בתהליך ביולוגי יצטרכו לעבור את אותה בעיה: כיצד להגיע מתת-הקרקע אל האטמוספרה".
לשאלת מקורו של המתאן במאדים חשיבות רחבה בחקר כוכב הלכת. מתאן יכול להיווצר בתהליכים גאולוגיים, אך על פני כדור הארץ חלק גדול ממנו קשור לפעילות ביולוגית. משום כך, כל עדות למתאן במאדים מעוררת עניין גם בהקשר של האפשרות לקיומם של תהליכים ביולוגיים בעבר או בהווה. עם זאת, החוקרים מדגישים כי מנגנון ההובלה שהם מציעים אינו תלוי בשאלת מקורו של הגז. גם אם המתאן נוצר בתהליך גאולוגי לחלוטין, הוא עדיין חייב לעבור דרך הקרקע והסלע לפני שיוכל להימדד באטמוספרה. "ברור שהתנאים על מאדים שונים מאוד, ולכן אי אפשר פשוט לקחת תוצאה מכדור הארץ ולהעתיק אותה למאדים. אבל חוקי הפיזיקה זהים", אומר פרופ' ראובני. "אם מצליחים לבודד מנגנון ולכמת את התנאים שבהם הוא פועל, אפשר לבדוק האם התנאים המקבילים קיימים גם בכוכב לכת אחר. השורה התחתונה היא שייתכן כי בכל יום מאדים עושה את העבודה בעצמו: השמש מחממת את הקרקע, הלילה מקרר אותה – ובתוך הסלעים, לאט ובמחזוריות, הגז מתחיל לנוע החוצה".
