Mineraalit ja Marsin muinainen ilmasto
1800-luvun lopun ja 1900-luvun alkupuolen tieteiskirjailijoille oli selvää, että Mars on ilmastonmuutoksesta kärsivä kuoleva planeetta. Suurellekin yleisölle tutut H. G. Wells (1866–1946), Edgar Rice Burroughs (1875–1950) ja vielä Ray Bradburykin (1920–2012) ammensivat – lukuisten vain vanhemman scifin harrastajien tuntemien kirjailijoiden ohella – Mars-tarinoidensa perusidean Percival Lowellin (1855–1916) kuuluisiksi tekemistä Marsin ”kanavista”.
Lowellin havaintovirheisiin ja lujaan uskoon perustunut käsitys muinaisesta sivilisaatiosta, joka johti valtaisan kastelujärjestelmän avulla vettä napajäätiköiltä kuivuvalle päiväntasaajalle, oli tavattoman romanttinen ja kaunis. Jo aikalaiset suhtautuivat siihen epäillen, mutta Lowell osasi markkinoida unelmaansa suurelle yleisölle.
Lowellilainen Mars sai kuitenkin kuoliniskun 1960-luvun puolivälissä, kun Yhdysvaltain ensimmäiset onnistuneet Mars-luotaimet paljastivat Marsin rajusti kraatteroituneeksi planeetaksi, jonka kaasukehä on toivottoman ohut, ja jossa ei kanavia näkynyt.
Kuten kaikki Mars-historiansa tuntevat hyvin tietävät, tilanne kuitenkin muuttui taas kiinnostavammaksi jo 1970-luvun alkuvuosina, kun Mariner 9 asettui Marsin kiertoradalle. Pölymyrskyn laannuttua se kuvasi jättimäisten tulivuorten ja kanjonien lisäksi runsaasti erilaisia uomia ja niiden muodostamia verkostoja. Sellaisten helpoin syntyselitys oli muinoin virrannut vesi.
Seuraavina vuosikymmeninä Marsia tutkittiin yhä tarkemmin niin monipuolisilla mittalaitepatteristoilla varustettujen kiertolaisten, laskeutujien kuin mönkijöidenkin avulla. Painotukset ja tulkinnat ovat hieman aikojen saatossa vaihdelleet, mutta parhaiten perusteltu ja siksi suosituin näkemys on pysynyt jokseenkin samana Mariner 9:n päivistä lähtien: Marsin ilmasto on muinoin – ainakin 3–4 miljardia vuotta sitten, ja mahdollisesti silloin tällöin myöhemminkin – ollut lämpimämpi ja kosteampi, ja se on mahdollistanut ainakin hetkittäin nestemäisen veden esiintymisen Marsin pinnalla ja pinnan alla. Sitten Marsin ilmasto muuttui kylmemmäksi, eikä nestemäistä vettä voi nyky-Marsin pinnalla olla lainkaan.
Vaikka todisteita Marsin muinaisesta vedestä on runsain määrin, niiden yhtenä ongelmana voi pitää sitä, että ne ovat enemmän tai vähemmän epäsuoria. Näemme virtaviivaisia saaria keskellä kuivuneita jokiuomia ja kraatterijärviin muodostuneita jokisuistoja, tai kallioperän ja veden vuorovaikutuksesta syntyneiden savimineraalien spektroskooppisia sormenjälkiä. Geologit kuitenkin mielellään ottaisivat näytteitä ensin huolellisesti tutkimistaan kalliopaljastumista ja analysoisivat esimerkiksi niiden isotooppi-, alkuaine- ja mineraalikoostumuksen, sekä rae- ja kidekoon ja -muodon päästäkseen jyvälle siitä, millaisissa olosuhteissa ne ovat syntyneet. Kaukokartoituksella tämä ei onnistu ainakaan vielä, eikä astronautteja ole lähivuosina menossa tekemään kenttätutkimusta Marsiin. Tällä hetkellä tunnettuja yli 420:tä Marsista peräisin olevaa meteoriittia puolestaan voidaan tutkia ällistyttävän tarkasti parhaissa mahdollisissa maanpäällisissä laboratorioissa. Niiden käyttökelpoisuutta kuitenkin rajoittaa tuntuvasti se, ettei niiden lähtöpaikkoja tunneta. Silloin puuttuu niiden geologinen konteksti, eli havainnot ja analyysi ympäristöstä, jossa kivet alkujaan syntyivät ja muuttuivat.
Tähän ongelmaan apuaan tarjoavat Mars-laskeutujat ja erityisesti -mönkijät. Tammikuussa 2004, heti ensimmäisenä päivänään Marsissa, NASAn Opportunity-mönkijä löysi tuhansittain puolisenttisiä sinertävänharmaita hematiittipalleroita pienestä törmäyskraatterista, johon se oli laskeutunut. Palleroita oli sekä pinnalla irtonaisina että vielä kiinni ympäröivissä hiekkakivikerrostumissa, joiden rapautuessa niitä oli päätynyt pinnalle. Opportunityn laskeutumisalue oli valittu osin juuri hematiitista (α-Fe2O3) saadun kiinnostavan spektrisignaalin perusteella, mutta tuhansien hematiittipalleroiden eli ”mustikoiden” löytyminen oli tutkijoille sillti iso yllätys. Erityisen kiinnostavia ne ovat siksi, että maapallolla vastaavankaltaisten pyörylöiden syntyminen vaatii nestemäistä vettä. Joidenkin tutkijoiden mukaan myös elämällä on näppinsä pelissä.
Valtaosa Mars-tutkijoista tulkitsee Opportunityn löytämät hematiittipallerot nestemäisen veden synnyttämiksi. Tämän näkemyksen valossa ne ovat geologien kaipaama suora, paikan päällä nähty ja analysoitu todiste Marsin pinnalla tai aivan pinnan alla muinoin olleesta nestemäisestä vedestä. Kuten geologiassa ja mineralogiassa on tavallista, samat havainnot voi kuitenkin selittää useammalla eri tavalla, eivätkä muut selitysvaihtoehdot tarvitse vettä. Vedettömät ehdotukset, kuten törmäyssyntyiset tai vulkaaniset sferulit, ovat kuitenkin pahoissa hankaluuksissa esimerkiksi yrittäessään selittää havainnot hematiittipallukoista rapautuvissa hiekkakivissä.
Vaikka Opportunityn hematiittimustikat kuuluvat 2000-luvun suuriin Mars-löytöihin ja ne ovat – mikäli valtavirtaselitystä uskotaan – vahva todiste Marsissa muinoin vallinneesta lämpimästä ja kosteasta ilmastosta, eivät ne kuitenkaan kerro kovinkaan paljon ilmaston muuttumisesta tai aikaskaaloista, jolloin lämmin vesi oli kiviainesta muokaaamassa. Siihen tarvittaisiin eri kivilajiyksiköistä löydettyjä erilaisista olosuhteista kertovia mineraaliseurueita, tai ympäristönmuutoksista johtuvia eroja saman mineraalin ominaisuuksissa. Juuri tällaiset havainnot rävähtivät maailman ihmeteltäviksi Science-lehdessä toukokuun lopussa.
Havainnot Gale-kraatterin kivistä
Curiosity-mönkijä on tutkinut Gale-kraatteria ja sen pohjalta 5,5 km:mn korkeuteen kohoavaa Aeolis Mons -vuorta (tunnettu myös epävirallisella nimellä Mount Sharp) jo vuodesta 2012 lähtien. Curiosity pystyy kameroillaan kuvaamaan kauempana ja hankalissakin paikoissa olevia kalliopaljastumia, jotta geologit pääsevät tutkimaan kivissä näkyviä kerrosrakenteita ja muita ominaispiirteitä. Koska Galessa on ollut järvi, johon jokitoiminta toi hiekkaa ja hienompaa ainesta, ovat sedimenttien kerrostumisrakenteita tutkivat sedimentologit avainasemassa yritettäessä ymmärtää Galen ja sen pohjalta myös Marsin kehityshistoriaa.
Curiosityssä on kuitenkin kameroiden lisäksi melkoisen kehittyneitä mittalaitteita, joilla päästään käsiksi mönkijän ottamien näytteiden alkuaine- ja mineraalikoostumukseen, samoin kuin mineraalien ominaisuuksiin. Yhdistämällä sedimentologia, mineralogia ja geokemia päästään tekemään yksityiskohtaisia tulkintoja Marsin muinaisista olosuhteista ja niiden muutoksista.
Marek Szczerban ja Tanya Peretyazhkon vetämän monilukuisen tutkijajoukon tuore artikkeli keskittyy nimensä Hematite is a mineralogical marker of ancient climate change on Mars mukaisesti Marsin hematiittiin ja ilmastonmuutokseen. He tutkivat ja tulkitsivat kahdestakymmenestä Curiosityn ottamasta kivinäytteestä tehtyjä analyysejä.
Ryhmän tutkima Gale-kraatterin hematiitti ei ole suurina palleroina kuten Opportunityn löytämissä ”mustikoissa”, vaan erittäin hienorakeisena pirotteena sedimenttikivien joukossa. Hematiitti on kuitenkin Gale-kraatterin veteen kerrostuneissa lietekivissä hyvin yleistä, sillä sitä on peräti 1–16 painoprosenttia.
Tässä vaiheessa on syytä antaa sisältövaroitus: Seuraavaksi luvassa on geologiaa ja myös mineralogiaa hieman suuremmissa määrin kuin tällaisissa semiyleistajuisissa blogisteluissa on yleensä tapana. Mikäli ne aiheuttavat hengenahdistusta tai muita allergisia reaktioita, kannattaa hypätä suoraan tarinan pariin viimeiseen kappaleeseen, joissa kerrotaan, mitä tämä kaikki kieltämättä aika monivaiheinen ja sekava soppa oikein minun mielestäni merkitsee.
Szczerba ja Peretyazhko kollegoineen keskittyivät hematiittiin kolmessa toisiaan seuraavassa sedimenttikivimuodostumassa, eli Murray-, Carolyn Shoemaker- ja Mirador-muodostumissa. Muodostumista alimmainen ja samalla vanhin on Aeolis Monsin alaosassa sijaitseva Murray-muodostuma. Se koostuu kraatterijärven pohjalle kerrostuneesta lietekivestä ja jokien tuomasta hiekasta syntyneestä hiekkakivestä.
Hematiitin lisäksi Murray-muodostumasta löydettiin muitakin tarinan kannalta oleellisia mineraaleja. Smektiitti-ryhmän savimineraalit kertovat kiviaineksessa virtailleen makeaa neutraalia vettä. Jarosiitti ja akaganeiitti puolestaan kertovat kivien joutuneen myös happamien suolavesien muokkaamiksi.
Carolyn Shoemaker -muodostuma on Murray-muodostumaa nuorempi ja pötköttelee suoraan Murrayn päällä. Välissä ei siis ole eroosiopintaa. Carolyn Shoemaker -muodostuma koostuu liete-, siltti- ja hiekkakivistä, jotka kerrostuivat joko järven reunaosissa (ei siis kovin syvällä) tai virtaavan veden ympäristössä. Muodostuman smektiitti ja sideriitti kertovat sedimenttejä muokanneen veden olleen neutraalia ja makeaa, ilman Murray-muodostumassa nähtyä happamien suolavesien vaikutusta.
Carolyn Shoemaker- ja Mirador-muodostumien välissä on eroosiopinta. Galen geologisesta tarinasta puuttuu siis tästä kohdasta ainakin jokunen sivu. Mirador-muodostuman kivet ovat myös hyvin erilaisia kuin vanhempien muodostumien kivet. Kyseessä ovat hiekkakivet, mutta ne olivat alkujaan tuulen kasaamia hiekkadyynejä. Myöhemmin Mirador-muodostuman hiekkakivet kuitenkin muuttuivat pinnan lähellä olleen pohjaveden haihtuessa. Vettä oli niukasti, ja se oli suolaista ja emäksistä.
Hematiitti ja götiitti
Hematiitissa, kuten mineraaleissa yleensäkin, on se hauska puoli, että pienten hematiittirakeiden yhdestä kiteestä koostuvien osasten (engl. crystallite, suomalaista termiä ei taida olla) koko ja muoto kertovat niiden syntyolosohteista. Koko ja muoto taas pystytään määrittämään Curiosityn röntgendiffraktometrillä.
Mirador- ja Carolyn Shoemaker -muodostumissa hematiittikiteet olivat läpimitaltaan alle 10 nm. Murray-muodostumassa sen sijaan kiteet olivat parhaimmillaan 65 nm:n läpimittaisia. Suurimmat olivat Murray-muodostuman alimmissa eli vanhimmissa osissa. Myös niiden muoto poikkesi muista: Murrayn hematiitit olivat joka suunnassa suunnilleen saman mittaisia, kun nuorempien muodostumien pienet hematiittikiteet olivat suomumaisen litteitä.
Hematiitin ohella toinen keskeinen mineraali Szczerban ja Peretyazhkon tutkimuksessa on rautaoksihydroksidi götiitti eli goethiitti (Fe3+O(OH)). Götiittiä muodostuu samoissa olosuhteissa kuin hematiittiakin. Gale-kraatterissa hematiitti ja götiitti syntyivät, kun Marsille tyypillisistä basalttisista kivistä peräisin olevien sedimenttien mineraaleissa ollut rauta muuttui ferrihydriitiksi ja sitten edelleen hematiitiksi ja götiitiksi. Oleellista Gale-kraatterin geologisen historian kannalta on, että götiittiä esiintyy Carolyn Shoemaker- ja Mirador-muodostumissa, mutta ei vanhimmassa Murray-muodostumassa.
Näistä Curiosityn laitteilla tehdyistä havainnoista ja laboratoriotutkimuksista Szczerba ja Peretyazhko ryhmineen saivat koottua hypoteesin Marsin ilmaston kylmenemisestä siten kuin se Gale-kraatterijärven ja sen sisältämien sedimenttien näkökulmasta tapahtui.
Ensin Galen kraatterijärveen kertyi basalttisia Murray- ja sittemmin Carolyn Shoemaker -muodostumien sedimenttejä melko samankaltaisissa olosuhteissa. Sedimenttien raudasta syntyi ferrihydriittiä. Nuoremmassa Mirador-muodostumassa tilanne on ollut jo toisenlainen: Marsin ilmasto kuivui, ja eroosion jälkeen kertyneitä dyynisedimenttejä muuttavana tekijänä oli hapettava pohjavesi, joka myös synnytti ferrihydriittiä.
Sitten seurasi kaksi diageneettistä vaihetta eli sedimenttien puristumista sedimenttikiviksi. Varhaisessa vaiheessa neutraali tai heikosti emäksinen pohjavesi muutti sedimenttien ferrihydriitin hematiitiksi ja götiitiksi. Pienikiteisen hematiitin kiteytyminen jatkui sedimenttien kuivuessa, mutta götiittiä ei enää muodostunut. Tässä vaiheessa sedimenttien lämpötila oli varsin alhainen, korkeintaan 125°C.
Myöhäisemmässä diageneesissä vanhimpaan ja siten syvimmällä olleeseen Murray-muodostumaan syntynyt götiitti katosi. Götiitti nimittäin muuttuu hematiitiksi lämpimissä, yli 50-asteisissa neutraaleissa tei emäksisissä vesissä. Samalla kun götiitti katosi, tapahtui myös muuta erikoista: pienet hematiittikiteet hävisivät, ja niissä ollut rauta päätyi suurempiin hematiitteihin, jotka siis samalla kasvoivat entisestään. Tällainen pienten kiteiden tai muiden rakenneosasten ”kannibalisointi” suurempien kustannuksella tunnetaan Ostwaldin kypsymisenä.1 Ylempiin muodostumiin götiitti jäi, ja myös hematiitti pysyi pienirakeisena, koska diageneettiset olosuhteet, eli luultavasti lähinnä lämpötila, eivät olleet suosiollisia götiittiä hävittäville ja hematiittikiteitä kasvattaville prosesseille.
Ostwaldin kypsymisen nopeus on suurin piirtein määritettävissä. Szczerban ja Peretyazhkon ryhmä päätyi laskelmissaan siihen, että ainakin Gale-kraatterin sedimenttien syvimmissä eli vanhimmissa Murray-muodostuman osissa on ollut neutraalia tai kenties hieman emäksistä lämmintä vettä vuorovaikutuksessa mineraalien kanssa vähintään noin 1,1 miljoonaa vuotta, kenties jopa 4,7 miljoonaa vuotta. Se on jo biologisen evoluution näkökulmastakin ihan merkittävä aika. Vettä ei välttämättä tosin ole ollut noin pitkää aikaa yhtäjaksoisesti, vaan välissä on voinut olla kuivia kausia. Nuoremmissa Carolyn Shoemaker- ja Mirador-muodostumissa lämpötila on ollut alhaisempi ja vetisen kauden pituus lyhyempi.
Mineralogisten havaintojen merkitys?
Mitä tästä kaikesta sekavasta mineralogiasta sitten tavallisen Marsin ystävän käteen oikeastaan lopulta jää? Mineralogian näkökulmasta kannattaa ehkä muistaa, että pienten hematiittikiteiden koko ja muoto ovat kätevä tapa havainnoida muuttuneita muinaisia olosuhteita. Yhdessä muiden mineraalien kanssa hematiitin esiintymisestä saadaan varsin hyvä kuva lämpötila-, pH- ja suolaisuusolosuhteista niiden syntyessä ja/tai muuttuessa. Mikä parasta, tulkintojen pohjaksi tarvittavat analyysit pystytään tekemään mönkijöillä. Nyt kun NASAn miljardeja maksanut suunnitelma tuoda Marsista näytteitä Maan laboratorioihin tutkittaviksi on Yhdysvaltain nykyhallinnon toimesta kuollut ja kuopattu (kunnes se epäilemättä jossain vaiheessa taas kaivetaan esiin), on entistäkin tärkeämpää pystyä puristamaan mönkijöiden kyvyistä kaikki mahdollinen irti.
Astrobiologian näkökulmasta taas on hyvä saada suoraa mineralogista tukea sille perusolettamukselle, että Marsin kylmenevästä ilmastosta huolimatta syvemmällä voi yksittäisessä kraatterissakin olla miljoonien vuosien ajan elämän kannalta hyvinkin miellyttävät olosuhteet. Lämpimän veden esiintymisestä laajoilla alueilla pitkiä aikoja on niin monipuolisia ja yhä suorempia todisteita, että tuskinpa kukaan täysjärkinen Mars-tutkija enää kiistää asiaa.
Varhaisten tieteiskirjailijoiden kuvittelemien sivilisaatioiden synty on Marsin karujen pintaolosuhteiden vuoksi ollut valitettavasti aika mahdotonta. Esimerkiksi kraatterijärvien pohjien vetisissä sedimenttikerroksissa on kuitenkin ollut meidän tuntemallemme mikrobitason elämälle sopivat olosuhteet niin pitkään, että vähintään jotkin ääriolosuhteissa viihtyvät eliöt olisivat hyvinkin voineet pärjätä siellä.
Täysin eri asia sitten on, syntyikö tai siirtyikö Marsiin koskaan elämää. Jos sitä sinne kuitenkin jotenkin päätyi, olosuhteiden puolesta sopivia paikkoja eliöiden viihtymiselle on varmasti riittänyt.
1Ilmiön keksi baltiansaksalainen fysikaalisen kemian pioneeri ja Nobel-voittaja Wilhelm Ostwald (1853–1932). Saman prosessin seurauksena vähän sulamaan pääseeseen jäätelöön syntyy uudelleenjäätyessä karkeampia jääkiteitä.