Formation and decomposition processes of CO2 hydrates at conditions relevant to Mars

Abstract

Von einem thermodynamischen Gesichtspunkt aus gibt es kein Argument gegen die Existenz von CO2 Hydraten im Marsregolith nahe der Oberfläche. Es wurde bereits postuliert, dass CO2 Hydrate in den Eisschichten des Nordens sowie den polaren Südkappen existieren könnten. Auf dieser Basis wurden Vorschläge, die Zerzetzung von CO2 Hydrat betreffend, in Verbindung mit morphologischen Eigenschaften, vorgebracht. Ein weiterer Ideenbereich behandelt den Einfluss den die Zersetung von CO2 Hydraten auf die Umwelt, hinsichtlich einer möglichen Klimaveränderung (Greenhouse-Effekt) oder der Modifizierung von Isotopenverhältnissen in der Atmosphäre, haben könnte. Heutzutage und wahrscheinlich auch in der Vergangenheit bestimm(t)en Druck und Temperatur, dass die wahrscheinlichste Bildungsreaktion für CO2 Hydrate zwischen gasartigem CO2 und Wassereis stattfindet. Beide Bestandteile sind an der Oberfläche des Mars verfügbar. Kürzlich wurde zudem entdeckt, dass auch Wasser (H2O) häufig im Marsregolith vorkommt. Jedoch führten bislang alle Diskussionen bezüglich dieser Möglichkeit zu keinem Ergebnis, da es an elementaren Kenntnissen der Bildungs- und Zerzetzungskinetik dieser besonderen Gashydrate mangelt. Um eine physikochemische Grundlage für diese Ideen zu schaffen, wurde eine Reihe von CO2 Hydrat Bildungs- und Zerzetzungsexperimenten sowohl unter Marsoberflächenbedingungen als auch unter unterirdischen Marsbedingungen mit p-V-T-Methoden und in-situ Neutronbeugung an der ILL Grenoble, durchgeführt. Die Experimente haben gezeigt, dass die Bildungsdauer der CO2 Hydrate direkt mit der zugänglichen Eiskornoberfläche, den herrschenden Temperaturen und dem CO2 Druck zusammenhängt. Unter p-T Bedingungen die an der Marsoberfläche nahe den Polen herrschen ist CO2 Hydrat thermodynamisch stabil. Trotz dieser Tatsache zeigen die Ergebnisse, dass bei sehr niedrigen Temperaturen die langsame Kinetik sowie Schwierigkeiten die Nukleation der Hydrate betreffend, jede signifikante Bildung von Klathraten verhindern. Dennoch bleibt eine gute Chance CO2 Hydrate tiefer im Regolith aufgrund vorliegender Druck-Versiegelung durch überliegende Schichten (z.B Wassereis) zu finden. Höhere Temperaturen und höherer Druck schaffen günstigere Bedingungen für die Bildung von CO2 Hydraten. Zusätzlich stellen Klimaschwankungen ein denkbares Szenario für die Hydrat-Zersetzung und mögliche Bildungszyklen dar, sofern passende Stabilitätsbedingungen geschaffen werden können. Durch die Zersetzung von Gashydraten können Gase freigesetzt werden, die im Stande sind die Isotopenverhältnisse der Atmosphäre zu verändern. Die Freisetzung größerer Gasmengen könnte eine potentielle Ursache wärmerer Klimaepisoden darstellen. Die experimentellen Zersetzungsvorgänge, in einem Temperatubereich zwischen etwa 240 und 273 Kelvin begründen einen Prozess, welcher auch als "Selbsterhaltung" bezeichnet wird. Dieser ist in der Lage, CO2 Hydrat über einen geologisch bedeutsamen Zeitraum stabil zu halten. Der Prozess der Selbsterhaltung, der besonders die Mikrostruktur von Hydraten betrifft, ist sehr kompliziert und steht in Verbindung mit Veränderungen auf der Oberfläche der sich zersetzenden Hydrate. Sehr kleine Gashydratkristalle (Durchmesser bis zu 20μm) erzeugen bei ihrer Zersetzung eine Schicht, die durch das Verheilen oder Ausheilen von Defekten im Eisgitter sowie Kornvergröberungsprozessen zu einer Ausbreitung der Gasmoleküle und somit zu einer drastischen Verlangsamung des Zersetzungsprozesses führt. Unterhalb dieses Temperaturregimes findet der "Selbsterhaltungsprozess" auch in einem sehr schmalen P-T-Bereich statt. Die Versiegelung ist hier weniger wirksam und wird durch die Mikrostruktur des Eisfilms geregelt. Die Zerstörung dieses mechanisch oder durch das Erreichen des Schmelzpunktes von Eis erlangten metastabilen Zustandes kann zu einer sehr schnellen Gasfreisetzung aufgrund der Zersetzung von Gashydraten führen. Die plötzliche Zunahme des Porendrucks im Regolith kann die Bildung von großen geomorphologischen Phenomenen, wie z.B. chaotic terrains bewirken und so unter Druck ste hende Fluide an die Oberfläche lassen.