火星探测到甲烷报告吸引了科学家和非科学家的目光。在地球上,微生物产生量甲烷,帮助大多数牲畜消化植物。这个消化过程以牲畜呼气或向空气中打嗝结束。

虽然星上没有牛、绵羊或羊,但在那里发现甲烷令人兴奋,因为它可能意味着微生物曾经或正在红色星球上生活。然而,甲烷可能与微生物或任何其他生物无关;涉及岩石和热相互作用的地质过程也可以产生甲烷。

在确定火星上甲烷的来源之前,科学家必须解决一个一直困扰着他们的问题:为什么有些仪器能探测到甲烷,而有些却不能?例如,NASA好奇号火星车多次在盖尔火山口的正上方探测到甲烷。但是ESA(欧洲航天局)的ExoMars微量气体轨道飞行器没有在火星大气中检测到任何甲烷。

“当微量气体轨道飞行器于 2016 年加入时,我完全期待轨道飞行器团队报告火星上到处都有少量甲烷,”样品中可调谐激光光谱仪 (TLS) 仪器的负责人克里斯韦伯斯特说好奇号火星车上火星 (SAM) 化学实验室的分析。

“微量气体轨道飞行器在2016年上岗时,我预计轨道器团队报告说火星上到处都有少量的甲烷,”好奇号探测器上的火星样品分析(SAM)化学实验室的可调谐激光光谱仪(TLS)负责人克里斯·韦伯斯特(Chris Webster)说。

TLS在盖尔陨石坑测量到的甲烷平均体积小于十亿分之一。这相当于在一个奥运会大小的游泳池里稀释一小撮盐。这些测量中不时出现体积高达十亿分之二十的令人困惑的峰值。

“但是当欧洲团队宣布没有发现甲烷时,我绝对感到震惊,”在位于南加州的NASA喷气推进实验室工作的韦伯斯特说。

欧洲轨道飞行器被设计为测量整个行星上甲烷和其他气体的黄金标准。与此同时,好奇号的TLS非常精确,它将被用于国际空间站火灾预警探测,并用于跟踪太空服中的氧气水平。它还被授权用于发电厂、石油管道和战斗机,飞行员可以监测他们面罩中的气和二氧化碳水平。

尽管如此,韦伯斯特和SAM团队还是被欧洲轨道飞行器的发现震惊了,并立即着手仔细检查火星上的TLS测量。

NASA好奇号火星车于2018年6月15日拍下了这张自拍照,这是好奇号火星车执行任务的第 2082 个火星日。沙尘暴降低了火星车所在位置的阳光和能见度,火星车位于维拉鲁宾山脊以北的德卢斯钻探点。在火星车左侧的大巨石上可以看到一个小钻孔。自拍照是使用好奇号火星手透镜成像仪拍摄的图像创建。
图片来源:NASA/JPL-Caltech/MSSS

一些专家认为是探测器本身释放了气体。“所以我们观察了与探测器指向、地面、岩石破碎、车轮退化等因素的相关性。”韦伯斯特说。“为了确保这些测量结果是正确的,团队在研究每一个小细节方面所付出的努力是不言而喻的,而他们确实如此。”

韦伯斯特和他的团队于6月29日在《天文学与天体物理学》杂志上报告了他们的结果。

NASA好奇号火星车在2019年5月7日,即任务的第2400个火星日捕捉到了这些漂浮的云层。好奇号使用其黑白导航相机拍摄照片。图中可能是距离火星表面约 19 英里(31 公里)的水
图片来源:NASA/JPL-Caltech

另一方面,微量气体轨道飞行器需要阳光来精确测量地表以上3英里(5公里)处的甲烷。“任何行星表面附近的大气层在白天都会经历一个周期,”摩尔斯(Moores)说。来自太阳的热量搅动着大气,暖空气上升,冷空气下降。因此,夜间被限制在地表附近的甲烷在白天混入更广泛的大气中,将其稀释到无法检测的水平。“所以我意识到没有任何仪器,尤其是在轨道上运行的,能看到任何东西,”摩尔斯说。

好奇号团队立即决定通过收集第一次高精度的日间测量数据来测试摩尔斯的预测。TLS在火星的一个白天连续测量甲烷,包括一个夜间测量和两个日间测量。在每次实验中,SAM吸入火星空气两个小时,不断地去除占火星大气95%的二氧化碳。这就留下了一份浓缩的甲烷样本,TLS可以通过多次使用红外激光束来轻松测量,这种激光束被调谐到可以使用被甲烷吸收的精确波长。

“约翰预测,甲烷在白天应该有效地下降到零,而我们的两次白天测量证实了这一点,”SAM的首席研究员保罗·马哈菲(Paul Mahaffy)说,他在马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心工作。TLS的夜间测量结果与团队已经确定的平均值非常吻合。马哈菲说:“所以这是解决这个巨大差异的一种方式。”

虽然这项研究表明,盖尔陨石坑表面的甲烷浓度一整天都在上升和下降,但科学家还没有解决火星上的全球甲烷谜题。甲烷是一种稳定的分子,预计在被太阳辐射分解之前会在火星上持续大约 300 年。如果甲烷不断地从所有类似的陨石坑中渗出,科学家们认为这可能是由于盖尔号似乎在地质上不是独一无二的,那么大气中应该积累了足够的甲烷,以便微量气体轨道器探测到。科学家们怀疑在不到300年的时间里有什么东西在破坏甲烷。

目前正在进行实验,以测试火星大气中的尘埃引起的极低水平放电是否会破坏甲烷,或者火星表面丰富的氧气是否会在甲烷到达上层大气之前迅速破坏甲烷。

韦伯斯特说:“我们需要确定是否存在一种比正常情况更快的破坏机制,以完全协调来自火星车和轨道飞行器的数据集。”

参考来源:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/first-you-see-it-then-you-don-t-scientists-closer-to-explaining-mars-methane-mystery

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