揭开火星如何失去原有大气的谜团

火星大气甲烷来源示意图：其中存在来自生物过程和彗星、地质变化等非生物过程

火星大气中五种气体的分布示意图，二氧化碳的含量最高

近日，美国国家航空航天局的好奇号火星科学实验室对火星大气探索过程中取得了重大突破，揭开火星如何失去原有大气的谜团。研究火星大气究竟发生了何种全球性事件有助于帮助科学家评估这颗红色星球曾经是否适合人类居住。当前火星大气比地球大气要稀薄近100倍。好奇号火星车当前所处的位置在盖尔撞击坑附近的一处被称为“石巢”（Rocknest）的地方，并对此处的火星大气进行了停车样本分析。

根据火星车搭载的大气探测装置结果显示，火星一部分的大气损失源于一个特别的物理过程，其有助于保持住某些元素较重的同位素。该进程在火星大气演变过程中扮演着一个重要的作用。同位素是同一元素具有相同的质子数，但中子数不同的核素。来自好奇号火星车进行大气样品分析的质谱仪、气相色谱仪和激光分光计数据显示，相较于当前火星大气同位素比例而言，在火星形成初期，大气二氧化碳中较重的碳同位素增加了5%，同位素分布比率暗示了火星顶部大气可能已经丢失，进入了外层的行星际空间中。

由于大气上层物质的丢失，使得较轻的同位素被耗尽。对地球上火星陨石中氩同位素的调查研究也显示了火星大气富集较重同位素的事件。图中显示了火星大气中五种气体的百分比情况，该数据来自好奇号火星车所搭载的大气分析四极杆质谱仪在2012年10月进行的测量分析。科学家推测火星遥远过去的大气环境与现在的状况可能存在较大的不同，随着美国国家航空航天局新一代火星大气与挥发物演化探测器在2014年抵达火星展开探索任务，将调查火星高层大气可能的损失。

随着对火星大气的研究有了初步调查结果，好奇号火星车大气样品分析仪等敏感仪器也对火星上痕量的甲烷气体进行探测，初步结果显示，火星大气中几乎不存在甲烷。甲烷是一种由生命活动产生的简单前体化学物质，在地球上该物质可以由生物和非生物过程产生。从地球上或者火星轨道上很难对火星大气中的甲烷成分进行直接探测，因为如果甲烷确实存在于火星大气中的话，这种气体只有通过痕迹跟踪才能发现。

比如在好奇号火星大气探测装置中的可调激光器光谱仪，首次在火星大气中寻找甲烷分子，最初设定的甲烷分子上限值为数十亿分之一数量级。位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室科学家克里斯·韦伯斯特（Chris Webster）对此评论为：显然在盖尔撞击坑不存在丰富的甲烷气体分子，现在所处任务节点的相关发现使我们感到兴奋，虽然我们了解火星大气中甲烷等气体的最低上限值，但大气系统的多样性使得未来可能带给我们其他惊喜。

如果火星大气中存在甲烷分子，那么它们的来源以及如何消失都将是需要解决的问题。科学家认为火星上的甲烷非生物来源包括彗星、受到宇宙紫外辐射的星际尘埃粒子、水和岩石的相互作用等，而生物来源则为潜在的微生物。如果微生物曾经生活在火星上，那么甲烷很可能来自于这些潜在的生物源，而火星大气的甲烷消失之谜可能由于大气中的光化学作用。

根据位于格林贝尔的美国宇航局戈达德空间飞行中心好奇号火星车综合大气分析仪的首席调查员保罗·马哈菲（Paul Mahaffy）介绍：“随着我们对火星大气进行的首次气体痕量调查，我们已经看到诸如火星大气分析仪强大而复杂的化学分析能力。同时对火星大气和固体样本的分析对理解火星是否存在可居住性的研究是至关重要的。”

腾讯科学讯（Everett/编译）