Podiel vody v povrchovej pôde Marsu podľa neutrónového detektoru sondy Mars Odyssey
Poďakovanie: Mars Odyssey, GRS Team, LANL, NASA

Na obrázku vyššie vidíme globálnu "vodnú" mapu Marsu. Farby znázorňujú hmotnostný podiel vody v pôde. Presnejšie by sme mali hovoriť o relatívnom výskyte vodíku, ale ten sa predpokladá, že je viazaný na Marsu v podobe vody. Táto mapa sa získala pomocou vesmírnej sondy Mars Odyssey (ktorej famózne obrázky sme už priniesli aj v minulosti) obiehajúcej okolo Marsu.

Ako neutrónový detektor odhalí množstvo vodíku v pôde?
Na povrch Marsu dopadá kozmické žiarenie. Kozmické žiarenie pozostáva z veľmi rýchlych elementárnych častíc (elektróny, protóny). Ich energia je obrovská. Môže dosahovať až 10²⁰eV (elektrónvolt), čo je až sto miliónkrát väčšia energia, než akú sme schopný častici odovzdať v najväčších urýchľovačoch elementárnych častíc. Samozrejme nie všetky elementárne častice z kozmického žiarenia majú tak vysokú energiu, ale aj podstatne menšie energie stačia k tomu, aby prenikli atmosférou a nie príliš hrubou vrstvou pôdy. Tieto procesy prebiehajú aj na Zemi, v prípade Marsu je však atmosféra veľmi riedka a podstatná časť dejstva sa odohráva preto v pôde.
Vysoko energetické elementárne častice sa v pôde zrážajú s atómmi a vznikajú ďalšie elementárne častice, prípadne sa vyrážajú z jadier atómov neutróny, ktoré majú veľkú energiu. Neutróny nemajú elektrický náboj, preto neionizujú prostredie v ktorom sa pohybujú, ale neustálymi zrážkami strácajú svoju kinetickú energiu.
Mnohé z nich sa znova (po mnohých zrážkach) dostanú cez povrch pôdy späť do vesmíru, kde ich môže detektor sondy zachytiť. Ich energia je rôzna. Pokiaľ však v pôde je veľa vodíka, potom zrážkami strácajú neutróny podstatnú časť svojej pohybovej energie a do vesmíru sa dostanú ako tav. termické neutróny (názov je z toho, že sú spomalené do takej miery, že ich pohyb sa podobá pohybu atómov vo veľmi chladnom plyne). Tejto vlastnosti vodíka hovoríme, že vodík je dobrý moderátor. V jadrových elektrárňach sa k štepnej reakcii používajú tiež termické neutróny, ktoré sa získavajú z rýchlych neutrónov produkovaných štiepnymi reakciami a ich následným spomalením vodíkovými atómmi molekúl vody. Vodík je dobrým moderátorom hlavne preto, že v jadre vodíkového atómu je jediný protón, ktorej hmotnosť je skoro rovnaká ako hmotnosť neutrónu. Pri pružnej čelnej zrážke dvoch telies, ktoré majú rovnakú hmotnosť, telesá si vymenia rýchlosti. Inými slovami neutrón sa spomalí na rýchlosť protónu, atómu vodíka v pôde. Pokiaľ je rozdiel hmotnosti medzi pružne sa zrážajúcimi telesami podstatný, tak to už neplatí.
Keďže podstatná časť kozmického žiarenia preniká do pôdy len do určitej hĺbky, neutróny prenikajúce späť do vesmíru sú z väčšej časti spomalené na termické neutróny jedine, ak pri "predieraní sa na povrch" zrážali často s vodíkom. Pokiaľ vodíku bolo málo, tak naopak, neutróny prenikajú do vesmíru s väčšou rýchlosťou. Neutrónový detektor zameraný na povrch Marsu meria práve zastúpenie termických neutrónov a takto sa dá zostaviť mapa vody na Marsu. Podobnú mapu aj použitím gama detektoru

Množstvo vody zistené pomocou gama detektoru (modrá farba viac, hnedá menej vody). Kliknutím si môžete pozrieť detailnejší obrázok.

Na povrchu Marsu voda v kvapalnom stavu nie je vidieť a nebola nájdená ani sondami Spirit či Opportunity. To sa ale dá pochopiť, atmosféra je veľmi riedka a teplota mimoriadne nízka (tlak je približne len jedna stotina atmosferického tlaku na Zemi na úrovni mora a teplota sa pohybuje od -5°C do -87°C).
Gama detektor dokáže zistiť aj zastúpenie iných chemických prvkov. Kozmické žiarenie pri prenikaní pôdou vybudí mnohé jadrá atómov. Atómové jadrá sa vracajú potom do svojho základného energetického stavu a vyžiaria svetelné kvantum, ktoré nazývame vďaka jej vysokej energii a toho, že pochádza z jadra gama-časticou (fotón). Každé jadro môže vyžiariť len veľmi špecifické gama častice a pri zachytení detektorom prezrádzajú druh jadra, ktorý ich vyžiaril. Na mape nižšie napríklad vidíme výskyt draslíka.

Množstvo draslíku (K) pomocou gama detektoru (modrá menej, červená viac draslíku). Kliknutím na obrázok si môžete pozrieť detaily.

Ďalšie a ďalšie mapy s rôznymi prvkami mi hovoria o minerálnom zložení pôdy Marsu bez toho, že by sme tejto pôdy fyzicky dotkli. Tieto mapy sa zhotovujú pre rôzne ročné obdobia a môžeme sa tak dozvedieť napríklad to, že neutrónový detektor ukazuje sezónne zmeny v registrovanom množstve vodíka (pozri napríklad animované mapy na stránke http://grs.lpl.arizona.edu/content/learning/sonif, kde autori skúsili novú metódy znázornenia - vypočujte si ako "spieva" Mars).

Tieto nepriame merania, ako aj merania priamo na povrchu Marsu (Viking, Pathfinder, Opportunity, Spirit) nám dovolia s istotou potvrdiť marťanský pôvod meteoritov nájdených na Zemi. Je známych 12 meteoritov, ktoré pochádzajú z Marsu a boli nájdené na každom kontinente okrem Austrálie. Ich hmotnosť je veľmi odlišná, najmenšia má 12 gramov, najväčšia 18 kilogramov. Ich význam je mimoriadny, lebo zatiaľ žiadna sonda, ktorá dorazila nas Mars, nedopravila späť na Zem žiadnu vzorku. Sú známe aj meteority z Mesiaca, ale horniny z Mesiaca boli na Zem dopravené aj v rámci vesmírneho programu Apollo.

Porovnanie zastúpenia niektorých chemických prvkov v atmosfére Marsu (zvislá os) a vzoriek atmosféry v meteorite z Marsu (vodorovná os). Rovnaké pomerné zastúpenie je ako odtlačok prstu - naprostá zhoda. Poďakovanie: Earth Science and Solar System Exploration Division

Odkiaľ vieme, že nejaký meteorit pochádza z Marsu, veď to na tom meteorite nemôže byť napísané?
Možno to znie prekvapivo, ale napísané to tam je. Je to napísané zvláštnym jazykom, ktorému sa venujú fyzici. Ten zvláštny jazyk sú zákony prírody a študujú sa v rámci fyziky - mohli by sme povedať, že v podstate sa jedná o fyziku.
Ako sa rozpozná meteorit z Marsu od ostatných?
1) Bežné meteority sú železné, kým meteority z Marsu obsahujú málo železa.
2) Meteority pochádzajúce z rôznych asteroidov skryštalizovali väčšinou pred 4,5 miliardami rokmi, tj. približne pri tvorbe slnečnej sústavy, kým meteority z Marsu pred 800 miliónmi rokov až 1,3 miliardami rokov. Tento údaj sa dá veľmi bezpečne zistiť datovacími metódami jadrovej fyziky. 3) Podstata posledného argumentu sa skrýva v mechanizme, ktorý dostal horniny z Marsu na Zem a vtom, že atmosféra každej jednej planéty slnečnej sústavy má evidentne svoje typické chemické zloženie. Pri dopade veľkých meteorov na planétu sa uvoľní obrovské množstvo energie -- kinetická energia meteoru sa z veľkej časti premieňa na tepelnú. Povrch planéty sa trhá na kusy, časť horniny sa doslovne odparí, dochádza k doslovnému výbuchu, pri ktorom časť kôry alebo aj plášťa planéty sú rozmetané na všetky možné strany. Niektoré kúsky sú priamo "vystrelené" do vesmíru takou rýchlosťou, že už nikdy nedopadnú naspäť (teda rýchlosťou väčšou, než je úniková). Pri výbuchu sa tiež roztavia a pri prelete atmosférou zachytia vo svojom vnútrajšku časť atmosféry, malé "konzervované" signatúry zloženia plynov na planéte. Keď vychladnú, minerály v nich skryštalizujú a túto dobu datovacie metódy jadrovej fyziky dokážu určiť (ako dávno pred meraním sa to stalo).
Aj horniny na Zemi v sebe nesú vzorky zemskej atmosféry a podobne tomu tak je aj s meteoritmi, ktoré boli "vystrelené" z povrchu Marsu. Od sedemdesiatych rokov máme presné údaje o zložení marťanskej atmosféry (sondy Viking) a porovnaním zloženia nájdenej v horninách je evidentná zhoda. Ako to ukazuje aj graf na obrázku.

Niekdajšie názory o tom, že na Marsu nebola voda sa postupne mení na názor, že vody v určitej etape existencie bolo dosť. Zostáva nevyriešená otázka, či sa na Marsu vyvinul život.

-AT-