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《地球物理研究期刊:行星》:火星氧气异常活动

NASA的好奇号于2015年暂时停留在夏普山的较低区域,拍摄自拍照。 自2012年以来,它就一直在探索火星的这个区域,收集大气数据等科学数据。 PHOTOGRA

NASA的好奇号于2015年暂时停留在夏普山的较低区域,拍摄自拍照。 自2012年以来,它就一直在探索火星的这个区域,收集大气数据等科学数据。 PHOTOGRAPH COURTESY NASA, JPL-CALTECH/MSSS

好奇号(Curiosity)探测车于2019年5月17日利用导航相机拍摄了这些漂动的云层,这些云型很可能是距离火星表面上方约30公里的水冰云。 GIF COUR

好奇号(Curiosity)探测车于2019年5月17日利用导航相机拍摄了这些漂动的云层,这些云型很可能是距离火星表面上方约30公里的水冰云。 GIF COURTESY NASA, JPL-CALTECH

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:MICHAEL GRESHKO 编译:邱彦纶):我们得解开这个发现所带来的化学谜团,才能在未来的火星任务中正确地搜寻生命。

美国航天总署(NASA)的火星探测车花了超过6年的时间,探查火星稀薄而寒冷的空气,现在它有了惊人的大发现:火星大气中的氧气比科学家预期的更多,而且活动相当奇特。

在火星的春季和夏季,氧气的含量会突然增加400ppm(parts per million),或是说比研究人员根据火星大气中其他气体的活动所预期的还要高出30%。 氧气量的飙升有部分可能是与另一种神秘的气体有关:火星大气中甲烷的季节性起伏。

「火星又耍了我们一次! 」密西根大学(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《地球物理研究期刊:行星》(Journal of Geophysical Research: Planets)上报告有关氧气异常活动的结果。

尽管在听到行星大气中有氧气的时候,我们都不禁考虑起光合作用的可能性,但是火星上的非生物活动也有可能产生氧气。 因此这个发现并不必然是找到生命的证据,反而凸显出我们对火星表面化学知识的欠缺。 如果我们想要寻找过去或现今火星生命的直接证据,就得要填补这些空白才行。

明年夏天,有四个国家将发射太空任务前往火星,以实现这个目标,其中包括了NASA的「火星2020」(Mars 2020)探测车,这辆探测车将收集未来要送回地球的样本。 欧盟和俄罗斯也连手执行包含罗莎琳. 富兰克林(Rosalind Franklin)探测车在内的「火星天文生物学」(ExoMars)任务,这位机械探险家将在火星表面向下钻探超过1.8公尺深,比先前的所有探测器更加深入探索火星内部的化学组成。

「以任何新的行星系统来说,拥有生命是最后一个解释方式。 」这篇研究论文的主要作者──NASA戈达德太空飞行中心(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了解火星的整体系统是如何运作的。 」

不稳定的气体

目前我们对火星大气的认识,大部分来自地面望远镜或火星轨道器的测量,它们可以寻找能揭露火星全球性组成的化学讯号,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方式制造出来。

当来自太阳的紫外光撞击火星大气中的二氧化碳和水蒸气时,会将这些分子分解成它们的组成成分,产生氧分子,也就是O2。 最终,这些氧分子会经由另一种化学反应形成二氧化碳,完成气体循环。 同时,一个单独的氧分子能够在火星大气中存在至少10年,或甚至数十年之久。 这种由阳光形成的氧气占目前火星大气的0.13%。

由于氧气的长期稳定性,研究人员认为火星上的氧气活动,基本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。 但由于受到尘埃和其他因素的影响,望远镜无法观测到火星表面上方空气的可靠数据。 而这正是火星探测车好奇号派上用场的地方;它自2012年以来就一直在火星地表上四处探测,所收集到的火星局部空气数据库是有史以来最详尽的。

「这确实是前所未有的数据数据库。 」特纳表示。

好奇号的测量结果显示,火星上的氧气并没有这么稳定。 氧气含量不但在每个火星年都会突然增加,而且每年的这种突然增加之间也没有什么规则性。

「当我们第一次看到这个现象时,我的第一个反应是,这简直是不可思议。 」阿特雷亚这么说。

此外,氧气含量的突然增加似乎与甲烷含量的季节性飙升有着奇特的相似性。 甲烷是火星大气中的微量气体,而地球上的甲烷通常与生命有关。 这两种气体的浓度都在火星的秋季和冬季逐渐减少,然后在春季和夏季逐渐增加。 但仍有一些关键差异,氧气含量在火星年中开始攀升的时间要早于甲烷,而且与氧气的不规则飙升不同,火星上甲烷含量的高峰逐年保持一致。

「这是谜题的全新部分──我们发现这实在太有趣了,我们非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源头,但还不清楚它们的源头是否相同。 」

对飙升的好奇

目前,我们还不知道有任何明显的可能原因造成氧气含量飙升。 一般由阳光产生火星氧气的过程没那么快,因此无法解释这种迅速飙升。 因此,特纳和她的同事们将目光聚焦在火星表面,毕竟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现的稳定有毒盐类。 基本上,撞击火星的宇宙辐射可能会将过氯酸盐分解成活性更高的化合物,进而释放出氧气。 但研究人员表示,这个过程的发生速度,仅为达到氧气年度峰值所需速度的百万分之一。

另一种可能是过氧化氢,这是种成分与水相近的不稳定化合物。 过氧化氢在地球上被当作防腐剂使用,在火星上则会在阳光分解二氧化碳和水蒸气的过程中不断产生,最终成为了火星大气的一小部分。 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,形成各种类型的地下储氧层。 (有些数据显示,火星的地下水层可能溶解了足够的氧气,而能支撑生命存在。 )

但是,即使在最好的情况下──假设过氧化氢每次可以在土壤中保留1000万年,特纳的研究团队表示,这个过程所能产生的氧气仅占峰值分子量的十分之一。

研究团队还重新检视了1970年代维京号(Viking)登陆器的成果,当时发现增加火星土壤的湿度后能释放出的氧气量惊人,但是特纳和她的同事并不认为这与他们的观察结果有直接的相关性。 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平均表面温度要来得更高。 而且在缺乏明显的补充方法之下,火星土壤能一次将氧气全部释放出来的这点,无法解释氧气含量为何每年都会飙升的问题。

「 维京号并没有为我们指出嫌疑犯,」这篇研究的共同作者──马里兰大学(University of Maryland)的博士后研究员蒂莫西. 麦康诺奇(Timothy McConnochie)表示:「我认为它的结果比较像说明了另一种犯罪。 」

奇特的尘埃

特纳和她的同事们还在脑力激荡,讨论可能的答案。 例如,阿特雷亚热衷于研究穿越银河系的高能量粒子如何在火星土壤的表层数十公分内引发化学反应。 并未参与这项研究的加州理工学院(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应活性。

「我们仍然不完全了解火星土壤是的组成成分;很显然,相对于地球而言,火星的土壤相当特别,拥有许多含铁的矿物质和含硫的矿物质。 」她说:「这些矿物质似乎具备相当有趣的特性。 」

未来的火星任务也许能够为我们提供帮助,特别是如果这些任务可以进行更多的大气测量。 由于好奇号有许多科学任务,因此特纳的团队在整个火星季节的变化中仅获得了19个数据点。 尽管这让他们对长期变化有所了解,但却无法看到任何短期的变化。 如果研究人员可以每天,或甚至每小时获得火星的氧气和甲烷数据,又会有什么新发现呢?

「那会更加、更加有用──而且一定会很惊人。 」这篇研究的共同作者──月球与行星研究所(Lunar and Planetary Institute)的科学家日耳曼. 马丁尼兹(Germán Martínez)说。

科学家藉由每项新研究,能够更理解非生命反应对火星大气的贡献以及贡献的程度,也能让他们和我们做好准备,在地质学和生物学之间划出界线。

「在地球上,所有的这些过程实际上都还是受到生物圈的影响,」特纳表示: 「而到了火星上,我们会对氧气的活动为感到讶异。 这告诉我们,还有很多事情在发生──也可以说,还有更多秘密等着我们去挖掘。 」




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