《地球物理研究期刊:行星》:火星氧气异常活动

发布者:逸飞而过 2021-11-29 10:31 来自: 奇趣网

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 COURTESY NASA, JPL-CALTECH

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。」

大家都在看

  • 借助元宇宙,探索星辰大海的奥秘

    借助元宇宙,探索星辰大海的奥秘 借助元宇宙探索星辰大海的奥秘。仰望星空,每一颗星都是一个独特世界吗?它们如何诞生和演化?又将走向何方?宇宙中的暗物质和暗能量是什么?又如何影响宇宙的结构和演化?太空时间和地球时间是同一个概念吗?太空存 ... 宇宙探索11-07

  • “航空”助力“航天”,携手共进探索无尽宇宙

    “航空”助力“航天”,携手共进探索无尽宇宙 10月30日,神舟十九号载人飞船成功发射。此前的29日,据神舟十九号任务发布会介绍,由中国航空工业集团成都所自主研制的昊龙货运航天飞机“昊龙一号”入围空间站低成本货物运输系统总体方案,获得工程飞行验证阶段合 ... 宇宙探索11-06

  • 太空探索的风险:宇宙辐射、极端温度、真空环境的威胁

    太空探索的风险:宇宙辐射、极端温度、真空环境的威胁 我刚下班回到家,就迫不及待地坐到书房的电脑前,想要好好聊聊关于神舟十八号的那些事儿。咱国家的航天事业发展速度那简直像火箭一样快!这神舟十八号都成功返航了,厉害啦!可看到航天员被抬出返回舱,心里又揪了一 ... 宇宙探索11-06

  • 神舟18号返回全程解析:从太空返地的每个关键步骤

    神舟18号返回全程解析:从太空返地的每个关键步骤 2024年11月4日凌晨,神舟18号载人飞船成功返回了地球,三名航天员叶光富、李聪、李广苏安全着陆在东风着陆场。这一壮丽的航天壮举,不仅代表着中国航天技术的又一次飞跃,更是一次充满挑战与惊险的太空之旅。整个返 ... 宇宙探索11-05

  • 宇宙探索与生命奥秘:从银河中心到茶杯

    宇宙探索与生命奥秘:从银河中心到茶杯 银河系中心是最混乱的区域。詹姆斯·韦伯太空望远镜以其前所未有的红外视角,在这一拥挤动荡的区域中发现了新的特征。这张图像展示的恒星形成区域被称为人马座C,距离银河系中心超大质量黑洞人马座A仅三百光年。照片 ... 宇宙探索11-05

  • 揭秘太空里发现五具浮尸是谁?

    揭秘太空里发现五具浮尸是谁? 在浩瀚的太空当中曾经发现过五具浮尸他们分别是苏联的三名宇航员格奥尔基多博罗奥夫斯基、帕克拖帕托查耶夫和弗拉季斯拉夫沃尔科夫,美国的科学家尤金舒梅克和冥王星之父克莱德威廉汤博。 苏联的联盟11号飞船在1971 ... 宇宙探索11-04

  • PandaX暗物质实验首席科学家刘江来:我们对宇宙知之甚少,探索永无止境

    PandaX暗物质实验首席科学家刘江来:我们对宇宙知之甚少,探索永无止境 【环球网科技综合报道】11月4日上午,第十二届腾讯科学WE大会在成都科幻馆成功举办。本次大会汇聚了五位世界顶级科学家,他们分别是国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士、南方科技大学校长、清华大学教授薛其 ... 宇宙探索11-04

  • 我国空间站大揭秘:宇宙探索的“中国力量”

    我国空间站大揭秘:宇宙探索的“中国力量” 文|乐天科技编辑|乐天科技先别急,我是今晚的导游,大家可以叫我小石头。现在就让我们仔细看看这个壮丽的工程。走进这座空间站的背后故事,它全程由我们自己独立建造,从发射到组装,再到调试,每一步都由我们独立完 ... 宇宙探索11-04

  • 你有没有想过,宇宙中竟然存在着个直径达到 2.5 亿光年的超级空洞

    你有没有想过,宇宙中竟然存在着个直径达到 2.5 亿光年的超级空洞 你有没有想过,宇宙中竟然存在着一个直径达到 2.5 亿光年的超级空洞——牧夫座空洞?这巨大的虚空,难道真如一些人猜测的那样,是两个文明战争的痕迹?别急,先点个赞,现在跟你说说!!首先,我们来看看牧夫座空洞 ... 宇宙探索11-03

  • 人工智能与宇宙探索,如何相互推动发展?

    人工智能与宇宙探索,如何相互推动发展? 当我们仰望星空,对宇宙的无尽奥秘充满好奇与渴望时,人工智能正逐渐成为我们探索宇宙的强大助力,而宇宙探索的需求也在反过来推动着人工智能的发展,二者相互交融,共同开启了人类认知的新纪元。人工智能为宇宙探索 ... 宇宙探索11-03