火星大气中变幻莫测的甲烷,为何神秘消失?

火星大气中变幻莫测的甲烷,为何神秘消失?

版权:ESA/ATG媒体实验室

本文是关于火星微量气体轨道探测器(ExoMars Trace Gas Orbiter)解读的第二篇,上一篇文章是这场全球性的沙尘暴,让火星大气湿度迅速增加

TGO上的天底与掩日光谱仪(Nadir and Occultation for MArs Discovery,NOMAD)和大气化学光谱仪组件(Atmospheric Chemistry Suite,ACS)这两台光谱仪相辅相成,除了对火星大气中水含量的探测,它们同样也开始了对其他微量气体(trace gas)的测量。

微量气体占据火星大气不到百分之一的体积,因此,如果要确定它们在整体大气中确切的化学成分和含量,就需要精度极高的测量技术。微量气体的测量通常以“十亿分之一体积”(parts per billion by volume,ppbv)为单位,以地球大气含有1800 ppbv甲烷为例,这表示每十亿个大气分子中,有1800个是甲烷分子。

火星科学家对甲烷情有独钟,因为甲烷很可能标志着生命和地质运动的存在,比如说在地球上,大气中95%的甲烷都来自生物反应过程。

[rml_read_more]

甲烷在数百年的时间内就会被太阳辐射所破坏,因此,现阶段探测到的所有甲烷分子,都意味着它是在相对不那么遥远的过去被释放出来的,即使这些甲烷分子本身在几万甚至几亿年前就已存在,只是一直被困于火星的地下蓄水层中,直到如今中被释放。除此之外,靠近火星表面的微量气体每天都会高度混合,全球风力循环模型显示:在几个月的时间内,甲烷就会在火星大气中混合均匀。

而此次测得的火星大气中甲烷的含量引起了科学家的激烈争论,因为实际上探测到的甲烷无论是在时间跨度上还是在地理位置跨度上,都十分稀少,并且这一数值经常直接降到仪器的探测极限。

火星大气中变幻莫测的甲烷,为何神秘消失?

TGO对火星大气中甲烷的探测
版权:ESA/ATG媒体实验室;数据来源:O. Korablev et al (2019)

欧洲空间局(ESA)的火星快车(Mars Express)在2004年的时候,贡献了首批轨道测量的其中一次,在那个时候,测量结果显示火星大气中甲烷的含量达到了10 ppbv。

位于地球上的望远镜也曾提供无法探测和达到45 ppbv的瞬态测量(transient measurement)结果,自2012年,美国航空航天局(NASA)的好奇号(Curiosity)火星车就开始探索盖尔陨石坑(Gale Crater),而好奇号的探测结果显示,大气中的背景甲烷水平随着季节的变化而改变,范围大约为0.2 – 0.7 ppbv,其中还一有些更高的峰值。更新的数据则来自火星快车,在好奇号测到了甲烷含量最高纪录的第二天,火星快车观测到了甲烷数量的激增。

来自TGO 的最新结果,提供了迄今为止最为详尽的火星全球性分析,TGO发现甲烷含量的上限为0.05 ppbv,也就是说,比此前报道的所有检测结果都要低上10到100倍。在3千米的高度上,TGO达到了最精确的检测极限,为0.012 ppbv。

火星大气中变幻莫测的甲烷,为何神秘消失?

火星上主要的甲烷测量
版权:ESA

仅仅考虑大气的衰减破坏过程,以及甲烷分子300年的预测寿命,0.05 ppbv作为甲烷含量的上限,仍对应着这300年间高达500吨的甲烷释放量;而一旦将这些甲烷分散在整个火星大气中时,这个数值就显得格外的低。

“在我们预测会看到甲烷的大气范围内,有着漂亮而高精度的水分子信号追踪数据,但是现在我们只能得出一个适度的甲烷含量上限,而这个上限意味着整个火星都几乎没有甲烷的存在。”ACS的首席研究员奥列格•科拉布廖夫(Oleg Korablev)说道,他来自莫斯科俄罗斯科学院(Russian Academy of Sciences)的空间研究所(Space Research Institute)。

“TGO的高精度测量结果似乎与之前的检测结果不太一致;为了协调各式各样的数据集,并匹配上此前得到的羽流(plume)甲烷含量结果和明显极低背景含量之间的过渡,我们需要找到一种可行的方式,来解释靠近火星表面时甲烷的大量消解。”

“甲烷的存在和它可能的来源已经引起了如此多的争论,而正因如此,这种气体之后的去向,以及它会以多快的速度消失殆尽,这两个问题也同样让人非常在意。” ESA TGO的项目科学家霍坎•斯韦德赫姆(Håkan Svedhem)说道。

“虽然目前而言,我们还没有手握这些谜题的所有元素,也没有一个完整的全局观,但这正是我们和TGO一起努力的原因,利用现有的最好的仪器,对火星大气进行详尽的分析,从而更好地了解这颗红色星球的活跃程度,无论是从地质上来说还是从生物上来说。”

参考:
[1] https://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/First_results_from_the_ExoMars_Trace_Gas_Orbiter
[2] “Early observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars” by O. Korablev et al, is published in the journal Nature.
[3] “Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter” by A.C Vandaele et al, is published in the journal Nature.
[4] “Neutron Mapping of Mars with High Spatial Resolution: First Results of FREND experiment of the ExoMars Project” by I.G. Mitrofanov et al, is accepted for publication in the Proceedings of the Russian Academy of Science, the Branch of Physical Science.
[5] https://client.cntv.at/egu2019/pc7
[6] http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Mars_Express/Mars_Express_confirms_methane_in_the_Martian_atmosphere
[6] http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Mars_Express/Mars_Express_matches_methane_spike_measured_by_Curiosity

发表回复