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《地球物理研究期刊:行星》:火星氧气异

NASA的好奇号于2015年暂时停顿在夏普山的较低区域,拍摄自摄影。 自2012年以来,它就不停在探索火星的这个区域,网络大年夜气数据等科学数据。 PHOTOGRAPH COURTESY NASA, JPL-CALTECH/MSSS

好奇号(Curiosity)探测车于2019年5月17日使用导航相机拍摄了这些漂动的云层,这些云型很可能是间隔火星外面上方约30公里的水冰云。 GIF COURTESY NASA, JPL-CALTECH

据美国国家地舆(撰文:MICHAEL GRESHKO 编译:邱彦纶):我们得解开这个发明所带来的化学谜团,才能在未来的火星义务中精确地征采生命。

美国航天总署(NASA)的火星探测车花了跨越6年的光阴,探查火星稀薄而严寒的空气,现在它有了惊人的大年夜发明:火星大年夜气中的氧气比科学家预期的更多,而且活动相称奇特。

在火星的春季和夏季,氧气的含量会忽然增添400ppm(parts per million),或是说比钻研职员根据火星大年夜气中其他气体的活动所预期的还要超过跨过30%。 氧宇量的飙升有部分可能是与另一种神秘的气体有关:火星大年夜气中甲烷的季候性起伏。

「火星又耍了我们一次! 」密西根大年夜学(University of Michigan)的行星科学家苏希尔. 阿特雷亚(Sushil Atreya)这么说,她们的团队在《地球物理钻研期刊:行星》(Journal of Geophysical Research: Planets)上申报有关氧气非常活动的结果。

只管在听到行星大年夜气中有氧气的时刻,我们都不禁斟酌起光相助用的可能性,然则火星上的非生物活动也有可能孕育发生氧气。 是以这个发明并不一定是找到生命的证据,反而凸显出我们对火星外面化学常识的欠缺。 假如我们想要探求以前或现今火星生命的直接证据,就得要填补这些空缺才行。

明年夏天,有四个国家将发射太空义务前往火星,以实现这个目标,此中包括了NASA的「火星2020」(Mars 2020)探测车,这辆探测车将网络未来要送回地球的样本。 欧盟和俄罗斯也连手履行包孕罗莎琳. 富兰克林(Rosalind Franklin)探测车在内的「火星天文生物学」(ExoMars)义务,这位机器探险家将在火星外面向下钻探跨越1.8公尺深,比先前的所有探测器加倍深入探索火星内部的化学组成。

「以任何新的行星系统来说,拥有生命是着末一个解释要领。 」这篇钻研论文的主要作者──NASA戈达德太空飞行中间(Goddard Space Flight Center)的行星科学家梅利莎. 特纳(Melissa Trainer)表示:「我们得要确认我们完全懂得火星的整系一切是若何运作的。 」

不稳定的气体

今朝我们对火星大年夜气的熟识,大年夜部分来自地面千里镜或火星轨道器的丈量,它们可以探求能揭破火星举世性组成的化学讯号,包括氧气的含量。 科学家先前就已经知道,火星上的这些氧气能够透过非生物的要领制造出来。

当来自太阳的紫外光撞击火星大年夜气中的二氧化碳和水蒸气时,会将这些分子分化成它们的组成因素,孕育发生氧分子,也便是O2。 终极,这些氧分子会经过另一种化学反映形成二氧化碳,完成气体轮回。 同时,一个零丁的氧分子能够在火星大年夜气中存在至少10年,或以致数十年之久。 这种由阳光形成的氧气占今朝火星大年夜气的0.13%。

因为氧气的经久稳定性,钻研职员觉得火星上的氧气活动,基础上会像非活性气体那样,与氩气和氮气等惰性气体的含量起伏类似。 但因为受到尘埃和其他身分的影响,千里镜无法不雅测到火星外面上方空气的靠得住数据。 而这恰是火星探测车好奇号派上用处的地方;它自2012年以来就不停在火星地表上四处探测,所网络到的火星局部空气数据库是有史以来最详尽的。

「这确凿是前所未有的数据数据库。 」特纳表示。

好奇号的丈量结果显示,火星上的氧气并没有这么稳定。 氧气含量不只在每个火星年都邑忽然增添,而且每年的这种忽然增添之间也没有什么规则性。

「当我们第一次看到这个征象时,我的第一个反映是,这的确是弗成思议。 」阿特雷亚这么说。

此外,氧气含量的忽然增添彷佛与甲烷含量的季候性飙升有着奇特的相似性。 甲烷是火星大年夜气中的微量气体,而地球上的甲烷平日与生命有关。 这两种气体的浓度都在火星的秋季和冬季徐徐削减,然后在春季和夏季徐徐增添。 但仍有一些关键差异,氧气含量在火星年中开始攀升的光阴要早于甲烷,而且与氧气的不规则飙升不合,火星上甲烷含量的高峰逐年维持同等。

「这是谜题的全新部分──我们发明这其实太有趣了,我们异常有兴趣弄清楚这两者之间是否存在真正的关联。 」 特纳说:「两种气体可能都在地表有个泉源,但还不清楚它们的泉源是否相同。 」

对飙升的好奇

今朝,我们还不知道有任何显着的可能缘故原由造成氧气含量飙升。 一样平常由阳光孕育发生火星氧气的历程没那么快,是以无法解释这种迅速飙升。 是以,特纳和她的同事们将眼光聚焦在火星外面,终究那里有很多含氧的化学物质存在。

一个可能的成因是过氯酸盐(perchlorates),这是种在火星土壤中发明的稳定有毒盐类。 基础上,撞击火星的宇宙辐射可能会将过氯酸盐分化成活性更高的化合物,进而开释出氧气。 但钻研职员表示,这个历程的发生速率,仅为达到氧气年度峰值所需速率的百万分之一。

另一种可能是过氧化氢,这是种因素与水邻近的不稳定化合物。 过氧化氢在地球上被算作防腐剂应用,在火星上则会在阳光分化二氧化碳和水蒸气的历程中赓续孕育发生,终极成为了火星大年夜气的一小部分。 化学模型显示这样形成的过氧化氢可以扩散到火星的土壤之中,并黏附在地下3公尺深的颗粒上,形成各类类型的地下储氧层。 (有些数据显示,火星的地下水层可能消融了足够的氧气,而能支撑生命存在。 )

然则,纵然在最好的环境下──假设过氧化氢每次可以在土壤中保留1000万年,特纳的钻研团队表示,这个历程所能孕育发生的氧气仅占峰值分子量的十分之一。

钻研团队还从新检视了1970年代维京号(Viking)登岸器的成果,当时发明增添火星土壤的湿度后能开释出的氧宇量惊人,然则特纳和她的同事并不觉得这与他们的察当作果有直接的相关性。 一方面,维京号的实验是在摄氏10度下进行的,这个温度远比火星的匀称外面温度要来得更高。 而且在短缺显着的弥补措施之下,火星土壤能一次将氧气整个开释出来的这点,无法解释氧气含量为何每年都邑飙升的问题。

「 维京号并没有为我们指出嫌疑犯,」这篇钻研的配相助者──马里兰大年夜学(University of Maryland)的博士后钻研员蒂莫西. 麦康诺奇(Timothy McConnochie)表示:「我觉得它的结果对照像阐清楚明了另一种犯罪。 」

奇特的尘埃

特纳和她的同事们还在脑力激荡,评论争论可能的谜底。 例如,阿特雷亚热衷于钻研穿越银河系的高能量粒子若何在火星土壤的表层数十公分内激发化学反映。 并未介入这项钻研的加州理工学院(Caltech)行星科学家博特. 埃尔曼(Bethany Ehlmann)则指出,火星土壤要比地球土壤还要更具有反映活性。

「我们仍旧不完全懂得火星土壤是的组成因素;很显然,相对付地球而言,火星的土壤相称分外,拥有许多含铁的矿物质和含硫的矿物质。 」她说:「这些矿物质彷佛具备相称有趣的特点。 」

未来的火星义务大概能够为我们供给赞助,分外是假如这些义务可以进行更多的大年夜气丈量。 因为好奇号有许多科学义务,是以特纳的团队在全部火星季候的变更中仅得到了19个数据点。 只管这让他们对经久变更有所懂得,但却无法看到任何短期的变更。 假如钻研职员可以天天,或以致每小时得到火星的氧气和甲烷数据,又会有什么新发明呢?

「那会加倍、加倍有用──而且必然会很惊人。 」这篇钻研的配相助者──月球与行星钻研所(Lunar and Planetary Institute)的科学家日耳曼. 马丁尼兹(Germán Martínez)说。

科学家藉由每项新钻研,能够更理解非生命反映对火星大年夜气的供献以及供献的程度,也能让他们和我们做好筹备,在地质学和生物学之间划出界线。

「在地球上,所有的这些历程实际上都照样受到生物圈的影响,」特纳表示: 「而到了火星上,我们会对氧气的活动为认为讶异。 这奉告我们,还有很多工作在发生──也可以说,还有更多秘密等着我们去掘客。 」

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