Het mysterieuze verhaal van methaan op de rode planeet heeft de afgelopen jaren al veel wendingen genomen. Tijd om de boel te ontwarren.

Het ‘methaan-mysterie’ op Mars blijft een hardnekkig probleem waar al menig onderzoeker zich het hoofd over heeft gebroken. Het mysterie begon zo’n tien jaar geleden, toen er op de rode planeet mysterieuze sporen en pluimen van methaan werden ontdekt. Sindsdien heeft veel nieuws de revue gepasseerd. Met name omdat het verhaal meerdere wendingen heeft genomen met onverwachte detecties en niet-detecties. Hoe het nou precies zit? In dit artikel gaan we erop in.

Waarom is methaan op Mars zo interessant?
Methaan is zo fascinerend omdat op aarde een groot deel wordt gegenereerd door levende wezens. “De zoektocht naar methaan is heel actueel, omdat het molecuul een biologische oorsprong kan hebben,” zegt onderzoeker Marco Giuranna tegen Scientias.nl. “Het kan wijzen op de aanwezigheid van leven op Mars.” Op aarde zijn er heel wat microben te vinden die methaan produceren. En het zou natuurlijk buitengewoon interessant zijn als soortgelijke microben ook op de rode planeet aan het werk zijn.


Wanneer werd er voor het eerst methaan op Mars gedetecteerd?
Sinds 2004 is er geregeld methaan op de Mars waargenomen. Maar marsrover Curiosity vond in 2012 opvallende hoeveelheden methaan in de Gale krater. En dat was vooral merkwaardig. Methaan in de atmosfeer van Mars gaat namelijk maar relatief kort mee. Door toedoen van de zonlicht heeft het slechts een levensduur van enkele honderden jaren. Als dat methaan niet wordt aangevuld, zou je dan ook verwachten dat de concentratie langzaam afneemt en het methaan bovendien – dankzij door winden ingegeven atmosferische vermenging – vrij uniform over de atmosfeer verspreid is. Maar dat is niet wat we op Mars zien. Curiosity heeft namelijk verschillende pluimen gedetecteerd. En dat betekent dat het methaan recent in de de atmosfeer is vrijgegeven. Dat hoeft overigens niet te betekenen dat het ook vrij recent is geproduceerd. Het kan in principe miljoenen of miljarden jaren geleden al zijn gegenereerd en al die tijd in ondergrondse reservoirs of gesteenten gevangen hebben gezeten.

Detecties van methaan op Mars. Afbeelding: ESA

Wat maakt de detectie van methaan zo mysterieus?
Allereerst natuurlijk de herkomst: wat of wie produceert het methaan? Dat blijft tot op heden in de nevelen gehuld. Daarnaast heeft de zoektocht naar methaan geleid tot een verhitte discussie onder wetenschappers, omdat metingen van verschillende instrumenten tegenstrijdige resultaten hebben opgeleverd. “De Curiosity-rover onderzoekt de Gale krater al zeven jaar,” vertelt Giuranna aan Scientias.nl. “Deze heeft een seizoenspatroon waargenomen dat zich gedurende drie Marsjaren herhaalde, waarbij de methaan-concentratie varieerde van 0,2 tot 0,7 deeltjes per miljard per volume (ppbv).” Onderzoekers besloten daaropvolgend de fijngevoelige ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) in te zetten om de resultaten van Curiosity te verifiëren. Deze orbiter draait nu al meer dan een jaar rond Mars maar het is opvallend genoeg tot op heden niet gelukt om methaan in de Martiaanse atmosfeer te detecteren. En dat betekent dat de methaan-concentratie minder dan 0,05 ppbv moet zijn; anders had de orbiter het wel opgepikt. “Een ander opvallend kenmerk is dat de methaan-concentratie van tijd tot tijd en plek tot plek varieert,” zegt Giuranna. Zo heeft Curiosity de methaan-concentratie in enkele tientallen dagen tijd al eens op zien lopen van 0,7 ppb naar 7 ppb. Ook zijn er aanwijzingen dat de methaanconcentratie heel snel kan dalen. “Methaan op Mars lijkt heel snel te verschijnen en weer te verdwijnen,” concludeert de onderzoeker. “Dit duidt op een mechanisme dat dit gas produceert, maar ook weer snel opruimt en uit de atmosfeer verwijdert.”

Wat maakte de detectie van Curiosity in juni zo merkwaardig?
Afgelopen juni mat Curiosity de hoeveelheid methaan opnieuw. En de resultaten waren verbazingwekkend. De rover trof namelijk 21 ppbv aan. Dat wil zeggen dat een gegeven volume lucht op Mars op dat moment voor 21 miljardste uit methaan bestond. Een waar record. Want nog niet eerder stuitte de rover op zoveel methaan. Wetenschappers besloten ESA’s Mars Express die al sinds 2003 de rode planeet nauwlettend in de gaten houdt én de ExoMars Trace Gas Orbiter om verificatie te vragen. Maar beide instrumenten registreerden geen enkel teken van het gas, ondanks dat ze rond ongeveer dezelfde tijd over dezelfde locatie vlogen. De Mars Express-metingen vonden overdag plaats, ongeveer vijf uur later dan de nachtelijke metingen van Curiosity. Metingen van een dag eerder onthulden ook geen sporen van methaan. Het TGO-instrument trof in de dagen voor en na de detectie van Curiosity ook al niets aan.


Wat kan hiervoor de reden zijn?
We legden het Giuranna voor. “Als het methaan in de Gale Krater zelf wordt gegenereerd, dan zouden kleine hoeveelheden van dit gas (slechts een aantal moleculen) al voldoende zijn om de hoge waardes gemeten door Curiosity te verklaren,” zegt hij. “Curiosity mat de methaan-concentratie ’s nachts. Als het methaan op dat moment is ontsnapt, hoopte het zich waarschijnlijk tot aan de ochtendgloren nabij het oppervlak op. Na zonsopgang mengde het methaan zich mogelijk snel met andere gassen. Hierdoor werd het verdund en weggevoerd. De metingen met de Mars Express vonden plaats na zonsopgang. Dit zou kunnen verklaren waarom het instrument niets heeft kunnen detecteren.”

Kunnen de detecties van Curiosity met de niet-detectie van de ExoMars Trace Gas Orbiter verzoend worden?
Dat is uiteindelijk wel het doel. Afgelopen jaar bevestigde de Mars Express onafhankelijk van Curiosity dat de Gale Krater inderdaad methaan herbergt. Onderzoekers zijn er achtergekomen dat gemiddeld gezien 2,8 kilogram methaan per Marsdag uit de Gale Krater ontsnapt. Door verschillen tussen dag en nacht (’s nachts vindt er zoals gezegd geen vermenging plaatst) zou het goed kunnen dat methaan gedurende de dag oplost en zo niet meer te detecteren is voor de Trace Gas Orbiter. Maar wat voor proces hier precies achterzit, is nog volstrekt onduidelijk. “Om de verschillende gegevens met elkaar te verzoenen en de snelle overgang van de eerder gedetecteerde methaan-pluimen te matchen met de niet-detecties, moeten we een methode vinden om het achterliggende proces te openbaren,” aldus Giuranna.

De hoeveelheden methaan op Mars stellen eigenlijk niets voor als je ze naast de hoeveelheden op aarde legt. De concentratie methaan in de atmosfeer van de aarde is ongeveer 1800 ppbv. Het betekent dat van een miljard luchtmoleculen, er 1800 uit methaan bestaan. De maximale methaanconcentratie die Curiosity op Mars heeft gedetecteerd was in juni: 21 ppbv. Dat wil zeggen dat een gegeven volume lucht op Mars op dat moment voor 21 miljardste uit methaan bestond.

Is de Gale krater de enige plek waar methaan ontsnapt?
Nee, waarschijnlijk niet. “In principe kan methaan overal uit het Marsoppervlak ontsnappen,” zegt Giuranna desgevraagd. “Sommige gebieden zijn vanuit geologisch oogpunt echter wel waarschijnlijker dan andere. Bovendien hebben we in een studie bewijs geleverd dat de bron van een gemeten methaan-pluim niet in de krater ligt, maar het methaan die kant op is gewaaid. Mogelijk ligt het herkomstgebied ongeveer 500 kilometer ten oosten van de Gale Krater. Zo zou een lokale laag begraven ijs het methaan ondergronds kunnen opsluiten en het vervolgens tijdens plotselinge uitbarstingen kunnen vrijgeven.”

Als het methaan door geologische processen wordt geproduceerd, welke is dan het meest waarschijnlijk?
De afgelopen jaren hebben al meerdere hypotheses de revue gepasseerd. Ook zijn er ondertussen wat mogelijkheden doorgestreept. Zo werd onlangs wind-erosie als belangrijke geologische producent van methaan uitgesloten. “Onder de abiotische processen worden vaak ondergrondse gesteenten genoemd,” aldus Giuranna. “Thermogenese van organische stoffen meegekomen op meteorieten zou een alternatief kunnen zijn, al is er geen overtuigend bewijs gevonden voor een verband tussen de atmosferische methaan-schommelingen en de voorspelde inslagen van meteorieten. Dus tot op heden blijft deze hypothese onzeker. In ieder geval zou dergelijk abiotisch methaan kunnen worden gevangen in methaan-clathraten, zeolieten en ondergrondse reservoirs opgesloten in permafrost.” Vervolgens zou het methaan door geologische processen vanuit de diepte naar boven worden getransporteerd en langs breuken en scheuren een uitweg vinden.

Hoe groot is de kans dat de aanwezigheid van methaan op Mars een biologische oorsprong heeft?
Daarover kunnen we op dit moment alleen nog maar speculeren. Sommige microben op aarde kunnen diep onder de grond overleven zonder zuurstof en methaan afgeven als onderdeel van hun afval. Maar of dit ook op Mars het geval is, is verre van zeker. “Het zou goed kunnen dat er onder het oppervlak vloeibaar water te vinden is,” zegt Giuranna. “En waar water is, kan ook leven gedijen. Het is echter te vroeg om te bepalen of het gas is geproduceerd door Mars-microben.”

Deze afbeelding toont enkele van de mogelijke manieren waarop methaan kan worden vrijgegeven en verwijderd uit de atmosfeer. Afbeelding: ESA

Onlangs ontdekten onderzoekers dat ook de hoeveelheid zuurstof in de Gale-krater op vreemde wijze fluctueert. Hebben het methaanmysterie en het zuurstofmysterie met elkaar te maken?
Net als vreemde schommelingen van de hoeveelheid methaan, vonden onderzoekers inderdaad ook vreemde variaties van zuurstof. De hoeveelheid zuurstof in de lucht neemt namelijk gedurende de lente en zomer met wel 30 procent toe. Deze merkwaardige stijging keert jaarlijks terug, al neemt de zuurstof telkens met andere waarden toe. In de herfst neemt de hoeveelheid zuurstof vervolgens weer rap af. En ook dit impliceert dat ‘iets’ deze zuurstof produceert maar later ook weer opruimt. Het zou dus goed kunnen dat zowel de variaties van zuurstof als de fluctuaties van methaan met elkaar te maken hebben. “We kunnen een lesje trekken uit deze resultaten: Mars is een buitenaardse planeet waar onbekende mechanismen de dienst uitmaken,” zegt Giuranna. “De bevindingen over de variaties in zuurstof wijzen sterk in dezelfde richting als het methaanmysterie, waarbij een onbekend proces verantwoordelijk is voor de productie en vernietiging van het gas in de atmosfeer van Mars.”

Wat zijn de vervolgstappen om beide mysteries te ontrafelen?
De onderzoekers richten zich in eerste instantie op methaan. “De eerste stap is het lokaliseren van de gasbron en vervolgens bepalen hoe het methaan is geproduceerd,” legt Giuranna uit. Dat is echter makkelijker gezegd dan gedaan. “Het vereist zeker uitdagende analyses,” zegt hij. “Mogelijk moeten er zelfs nieuwe instrumenten naar Mars worden gestuurd. Het is dus onwaarschijnlijk dat er op korte termijn een definitief antwoord komt. Mars Express en ExoMars doen momenteel gezamenlijke observaties in de atmosfeer van Mars. Ze richten zich op specifieke regio’s die van geologisch belang zijn voor methaan, waaronder de Gale Krater. De gecombineerde analyse van deze gegevens, in combinatie met simulaties, zullen helpen om dit spannende mysterie op te lossen.”

Vervolgonderzoek vindt al op korte termijn plaats. Op 15 december zullen namelijk Curiosity, Mars Express én ExoMars voor het eerst gelijktijdig de Martiaanse atmosfeer boven de Gale Krater onder de loep nemen. Vervolgens vindt een tweede run op 27 december plaats. Het belooft een spannend experiment te worden, waarbij onderzoekers hopen dichterbij de oplossing te komen voor het methaanmysterie.