کاوش در گذشته اقلیمی و زیست پذیری مریخ؛ دستاوردهای مدل آب وهوایی نوین

زمینه علمی: جستجو برای آب‌وهوای کهن و قابلیت زیست مریخ

درک تاریخچه اقلیمی سیاره مریخ، بخش کلیدی در جستجو برای حیات فرازمینی و تکامل سیارات قابل زیست در منظومه شمسی است. با وجود نشانه‌هایی از وجود رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و شاید دریاهایی که روزگاری سطح مریخ را پوشانده بودند، امروزه این سیاره سرخ خشک و سرد است، بیشتر جو خود را از دست داده و سطح آن در اثر بادها و طوفان‌های گردوغبار شکل گرفته است. دانشمندان مدت‌هاست درباره میزان پایداری آب مایع در گذشته مریخ و مدت زمان شرایط زیست‌پذیر در این سیاره بحث کرده‌اند.

کوه شارپ و چرخه کربن: شواهد مریخ‌نورد کنجکاوی

مریخ‌نورد کنجکاوی ناسا نقطه عطفی در تحقیقات مدرن مریخ محسوب می‌شود. این مریخ‌نورد در سال ۲۰۱۱ پرتاب شد و در حفره گیل به تحقیق پرداخت و در دامنه‌های کوه شارپ ـ یک کوه باشکوه با لایه‌های سنگ‌رسوبی که بیش از ۵ کیلومتر از بستر حفره بالا می‌رود ـ حرکت کرد. در بررسی این سنگ‌های مریخی، کنجکاوی ردپای کربنات‌ها را شناسایی کرد؛ دسته‌ای از کانی‌ها که هنگام واکنش دی‌اکسید کربن (CO₂) با آب و سنگ تشکیل می‌شوند و مشابه فرآیند شکل‌گیری سنگ‌آهک در زمین هستند.

این کشف بسیار جالب بود. در زمین، سنگ‌های کربناته سبب جذب بلندمدت دی‌اکسید کربن اتمسفری شده و اقلیم را از طریق چرخه کربن تنظیم می‌کنند. حضور این مواد معدنی در مریخ نشان می‌دهد میلیاردها سال پیش، CO₂ می‌توانسته در سنگ‌های این سیاره حبس شده باشد و این امر میزان گاز گلخانه‌ای جو را کاهش داده و گرمای لازم برای پایداری آب را محدود کرده است.

دکتر بنجامین تاتولو از دانشگاه کلگری با تجزیه و تحلیل این یافته‌ها به این نتیجه رسید که مریخ باستان از چرخه کربن حداقلی برخوردار بوده است و این موضوع می‌تواند دلیل وجود آب مایع گذرا در گذشته باشد. این یافته‌ها زمینه‌ساز نسل جدیدی از مدل‌سازی آب‌وهوای مریخ شدند.

ساخت مدل انقلابی اقلیم مریخ

بر اساس کشفیات تاتولو، گروهی بین‌المللی به رهبری دکتر ادوین کایت، سیاره‌شناس دانشگاه شیکاگو و یکی از اعضای تیم کنجکاوی، نخستین مدل جامع اقلیم مریخ را با تلفیق داده‌های جدید ژئوشیمیایی توسعه دادند. مدل‌های قبلی یا تمام تاریخ سیاره را به‌صورت تک‌نقطه‌ای شبیه‌سازی می‌کردند (در نتیجه جزئیات محلی از بین می‌رفت)، یا جزئیات مکانی دقیق داشتند اما به‌دلیل محدودیت‌های محاسباتی فقط زمان‌های کوتاه را بررسی می‌کردند.

مدل کایت نقطه عطفی بود؛ این مدل دگرگونی اقلیم و تغییرات سطح مریخ را با جزئیات مکانی بالا و در طی ۳/۵ میلیارد سال ردگیری کرد و عوامل کلیدی مانند شیمی جو، سوابق سنگی، توپوگرافی مریخ، تغییرات مداری و تابش خورشیدی را در نظر گرفت. نتیجه این رویکرد، جامع‌ترین و دقیق‌ترین تصویر از تحول مریخ به‌سمت یک بیابان یخ‌زده امروزی است.

دریاچه‌های ناپدیدشده مریخ و "عصر نمک‌ها"

بر مبنای مدل کایت، مریخ شروع گرمتری داشته و حدود چهار میلیارد سال پیش، دماهای سطحی امکان شکل‌گیری شبکه‌های وسیعی از دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و حتی دریاها را فراهم می‌کردند ـ برخی حتی به بزرگی دریای خزر زمین. شواهد دلتای باستانی و الگوهای رسوبی این تصویر از جهانی آبدار را تأیید می‌کند.

با این حال، این دوره زیست‌پذیر از نظر زمین‌شناسی کوتاه بود. با به دام افتادن دی‌اکسید کربن در سنگ‌ها و نازک‌شدن بیشتر جو و همزمان با افزایش تدریجی تابش خورشیدی، مریخ وارد "دوره نمک‌ها" شد؛ عصری با خشکی فزاینده. در این مدت، رویدادهای بزرگ ذوب برف میدان‌های وسیعی از نمک و رسوبات تبخیری ایجاد کرد ـ همان لایه‌هایی که امروزه توسط کنجکاوی بررسی می‌شوند. اگرچه این فرایندها نشانه‌های شیمیایی آب را به جا گذاشته‌اند، اما حضور واقعی آب مایع به رویدادهای گذرا و پراکنده محدود بود.

واحه‌های گذرا؛ ناپایدار و غیرقابل زیست

حدود ۳/۵ میلیارد سال پیش، اقلیم مریخ وخیم‌تر شد. بسیاری از بخش‌ها وارد دوره‌ای طولانی از خشکی و سرمای شدید شدند که به مقادیر کنونی آب و دمای سطحی نزدیک بود. مدل کایت پیش‌بینی می‌کند گهگاه نقاط کوچکی از آب ذوب‌شده ـ شبیه واحه‌های قطبی ـ تشکیل می‌شدند، اما این محیط‌های زیست‌پذیر هم مقیاس کوچک و هم عمر کوتاهی داشتند و حداکثر چند صدهزار سال دوام می‌آوردند.

دکتر کایت توضیح می‌دهد: «دوره‌های طولانی بدون آب مایع سپری می‌شد. زمانی که آب ظاهر می‌شد، حاصل ذوب موضعی برف و تشکیل دریاچه‌های کم‌عمق و گذرا بود. این "واحه‌ها" از نظر زمین‌شناسی کوتاه‌عمر بودند و مدل‌های آزمایشگاهی نیز نشان می‌دهد که پایداری لازم برای شروع حیات را نداشتند.»

چالش زیست مریخ: بقا در برابر منشأ حیات

این پیش‌بینی‌ها امید به زیست‌پذیری سطح مریخ و جستجو برای زیست‌امضاهای شیمیایی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. دکتر کایت می‌گوید: «می‌توانید تصور کنید مقداری آب اقیانوسی زمین را در یکی از همین دریاچه‌های کوتاه‌عمر مریخ بریزید؛ برخی میکروب‌های مقاوم زمینی شاید دوام بیاورند. اما سوال اصلی این است که آیا اصلاً می‌توانسته در چنین محیط‌هایی حیات شکل بگیرد یا اینکه هر حیاتی که پیش از عصر نمک پدید آمده، روی سطح زنده می‌ماند یا نه.»

گروه کایت نتیجه می‌گیرد که فواصل کوتاه و شرایط سخت دوره‌های مرطوب بعید است امکان دوام حیات سطحی مریخ را فراهم کرده باشد و حتی مانع از تثبیت اکوسیستم‌های ابتدایی شده است. بنابراین نقش واحه‌های مدل‌سازی‌شده به‌عنوان پناهگاه‌های قابل زیست عملاً رد می‌شود و این موضوع بر هدف‌گذاری ماموریت‌های جستجوی زیست‌شناختی مریخ تأثیر می‌گذارد.

محدودیت‌های مدل: تنوع زمین‌شناسی و سیاره‌ای

با وجود پیشرفت‌های مهم، این مدل بی‌نقص نیست. بسیاری از داده‌های اصلی آن صرفاً از یک منطقه ـ کوه شارپ در گیل ـ به دست آمده است. دکتر کایت اشاره می‌کند: «اگر کوه شارپ از نظر وجود کربنات‌ها غیرمعمول باشد، مدل ما ممکن است شرایط سراسر مریخ را دقیق بازنمایی نکند.» ادامه کاوش‌ها ـ از جمله صعودهای آینده کنجکاوی ـ می‌تواند شواهد بیشتری آشکار کند و فرضیات مدل را تقویت یا تضعیف نماید.

همچنین مدل فعلی عمدتاً بر دوره پس از نمک تمرکز دارد و هنوز پاسخی به اینکه چگونه مریخ در نخستین مرحله‌اش تا این اندازه گرم شده که رودخانه‌ها و دریاهای اولیه شکل گیرد، ارائه نمی‌دهد. دکتر کایت اذعان دارد: «نیازمند شناسایی عامل گلخانه‌ای یا گرمایشی دیگری غیر از CO₂ برای توضیح گرم‌ترین دوران مریخ هستیم و این عرصه‌ای فعال در پژوهش‌های کنونی است.»

چشم‌انداز آینده: کجا ممکن است حیات مریخی بقا یافته باشد؟

اگرچه اکنون پذیرش زیست‌پذیری سطحی در دوره "عصر نمک" بسیار بعید به نظر می‌رسد، کایت هنوز احتمال پناهگاه‌های زیرسطحی را رد نمی‌کند و می‌گوید: «محیط‌های زیرزمینی ممکن است مخفی‌گاه میکروب‌های مریخی طی خشکسالی‌های طولانی بوده باشند که فقط در دوره‌های بسیار نادر آب مایع به سطح بازمی‌گشتند.»

بدین ترتیب، جستجوی حیات مریخی باید معطوف به بررسی صخره‌های باستانی برای مولکول‌های آلی پیچیده شود ـ ترکیباتی که در زمین معمولاً با فرایندهای زیستی پیوند دارند. برای نمونه، کنجکاوی اخیراً آلکان‌های زنجیره‌بلند را در نمونه‌های مریخی شناسایی کرده است. کایت این یافته را امیدبخش می‌داند: «در زمین چنین مولکول‌هایی ارتباط قوی با حیات دارند. بازگرداندن نمونه‌ها به زمین برای تحلیل می‌تواند پاسخی شفاف‌تر به پرسش حیات مریخی ارائه دهد.»

جمع‌بندی

جدیدترین مدل اقلیمی مریخ که سال‌ها داده تازه از کنجکاوی و یافته‌های ژئوشیمیایی را درآمیخته، تصویر واقع‌بینانه‌ای از گذشته دور مریخ ارائه می‌دهد: سیاره‌ای که دریاچه‌ها و رودها در آن عمری کوتاه داشتند و پس از آن میلیاردها سال بر بیابانی یخ‌زده و غیرقابل زیست حاکم شد ـ شرایطی چنان طاقت‌فرسا و متغیر که مانع شکل‌گیری حیات سطحی بوده است. هرچند گهگاه واحه‌هایی از آب ذوب‌شده این سرزمین منجمد را پدید آورده‌اند، اما پایداری کم و پراکندگی جغرافیایی، فرصت‌های زیستی را به شدت محدود کرد. با این حال، همچنان با پیشرفت پژوهش‌ها و آوردن ابزارهای نوین و در نهایت نمونه‌های مریخی به زمین، روزنه‌ای هر چند باریک برای زیست‌پذیری مریخ باز می‌ماند؛ چه بسا پناهگاه‌های زیرسطحی یا ترکیبات آلی اسرارآمیز، سرنخ‌های مهم بعدی را در جستجوی حیات ورای زمین در اختیارمان قرار دهند.