歐洲航天局的非載人火星探測任務(wù)的一部分：微量氣體軌道探測器概念圖。盡管NASA的好奇號火星車多次在火星大氣中檢測到了甲烷，這部儀器在對火星大氣進行了分析后仍然無法找到任何甲烷存在的跡象。如今，科學(xué)家們認為他們知道了原因。圖源ESA.

令人費解的火星甲烷謎團

多年來，科學(xué)家們一直在試圖揭示出是什么制造出了火星上的甲烷。地球生命會產(chǎn)生甲烷。望遠鏡、軌道探測器以及好奇號火星車都在火星上檢測到了甲烷。證據(jù)似乎很確鑿。那里確實存在甲烷，盡管數(shù)量比地球有的甲烷少的多。但也存在令人不安的矛盾。有些儀器檢測到了甲烷氣體，與此同時其他本應(yīng)也能檢測到的儀器卻檢測不到。為什么？最近一項于2021年6月29日發(fā)表的最新研究使科學(xué)家們距離解決火星甲烷之謎的目標更近了一步。

正是好奇號火星車任務(wù)團隊的科學(xué)家提出了針對這個謎題的一個解決方案。一項最新研究聚焦于好奇號在蓋爾撞擊坑檢測到甲烷以及作為歐空局非載人火星探測任務(wù)的一部分的微量氣體軌道探測器未能探測到甲烷兩者之間的差異。好奇號對甲烷周期性的峰值進行了反復(fù)觀測，而微量氣體軌道探測器卻未能明確探測到甲烷。

這項最新成果表明一天中的不同時刻與這種差異有重大關(guān)系。好奇號和微量氣體軌道探測器是在火星上一天的不同時間勘測甲烷。

《天文學(xué)和天體物理學(xué)雜志》6月29日發(fā)表了這項經(jīng)專家評審過的研究成果。

火星上的甲烷：有或無？

歐空局的非載人火星探測任務(wù)事實上是兩項任務(wù)。第一項就是2016年發(fā)射的微量氣體軌道探測器。第二項計劃于2022年發(fā)射，由一個漫游車及其著陸平臺組成。他們將共同解決火星上是否存在過生命的問題。既然地球生命會產(chǎn)生甲烷氣體，火星甲烷問題也就關(guān)系到火星生命存在與否的問題。在2016年非載人火星探測任務(wù)開始時，科學(xué)家們預(yù)計軌道器會檢測到火星甲烷氣體。它的儀器極其靈敏，甚至微量的甲烷氣體也難逃其法眼。

但是微量氣體軌道探測器并未探測到火星甲烷氣體。這個結(jié)果讓科學(xué)家們感到非常困惑。這與好奇號、其他火星軌道探測器及望遠鏡之前的發(fā)現(xiàn)大相徑庭。

Chris Webster 是好奇號火星車上可調(diào)諧激光光譜儀的負責(zé)人。他是這篇關(guān)于火星甲烷探測的晝夜差異論文的第一作者。他評論道：

當(dāng)微量氣體軌道探測器于2016年著陸火星時，我滿心期待軌道器團隊會宣布火星上到處都存在著少量的甲烷氣體。

他接著說到，當(dāng)歐洲的微量氣體軌道探測器一無所獲，根本沒有發(fā)現(xiàn)甲烷時...我非常的震驚。

好奇號火星車在2019年5月12日的自拍。它從2012年開始就在蓋爾撞擊坑探索至今。圖源：NASA/加州理工-噴氣推進實驗室/馬林空間科學(xué)系統(tǒng)

NASA的好奇號火星車已多次探測到甲烷氣體。它曾發(fā)現(xiàn)了甲烷氣體的季節(jié)性周期循環(huán)，現(xiàn)在似乎同樣存在以天為周期的循環(huán)。圖源NASA/加州理工-噴氣推進實驗室

兩部儀器，矛盾的結(jié)果

Webster安裝在好奇號上的儀器（可調(diào)諧激光光譜儀）是一部幫助分析于蓋爾撞擊坑發(fā)現(xiàn)的甲烷的設(shè)備。它發(fā)現(xiàn)，平均而言，在這個撞擊坑中背景甲烷值在體積上小于十億分之0.5，然而，有時這部儀器又檢測到甲烷值的爆發(fā)，可以達到十億分之20（雖然聽起來不像,但這意義重大）。

微量氣體軌道探測器和好奇號上的儀器都應(yīng)該能夠檢測到極其微量的甲烷。所以為什么他們會得出如此矛盾的結(jié)果？

既然好奇號確實發(fā)現(xiàn)了甲烷，會不會是設(shè)備本身釋放出來的？任務(wù)小組檢查了火星車可能產(chǎn)生甲烷氣體的所有途徑，但一無所獲。Webster說道：

于是我們檢查了與火星車有關(guān)的一切元素，比如地面、壓碎的石塊、車輪退化，凡是你能想到的。我不想夸大團隊在每一個小細節(jié)上所做的努力，以確保那些那些測量都是準確無誤的，而事實上也確實如此。

微量氣體軌道探測器已如預(yù)期發(fā)現(xiàn)了二氧化碳、臭氧等氣體，但沒發(fā)現(xiàn)甲烷（CH4）氣體。現(xiàn)在看來可能是火星上層大氣中的甲烷氣體被稀釋的太多以至于無法被在白天進行檢測工作時的軌道器檢測到。圖源：Olsen等/ESA

在好奇號的研究成果似乎已被確認的情況下，另一位來自多倫多的約克大學(xué)的科學(xué)家John E. Moores?開始關(guān)注這個謎題。他解釋道：我采用了被一些同行們稱之為“加拿大視角”的觀點來看待這個問題，并提出了如下問題：“假如好奇號和微量氣體軌道探測器兩者的測量結(jié)果都是對的呢？”

晝夜差異

正是那時Moores 提議答案可能與火星一天中的不同時間有關(guān)。特別是好奇號上的可調(diào)諧激光光譜儀——就是檢測到了甲烷的那部儀器——主要在夜間使用。在它工作期間好奇號上沒有其他儀器在同時工作。這歸咎于這部儀器需要強大的電力供應(yīng)。正如Moores所推斷的，這使得好奇號更容易在夜間空氣相對平靜的情況下檢測到火星地表的甲烷氣體。

而另一方面，微量氣體軌道探測器的工作模式完全不同。這部在火星軌道上的儀器需要陽光提供能量以能夠在火星地表上空3英里（5公里）處檢測甲烷氣體。于是當(dāng)好奇號在夜間尋找甲烷的時候，微量氣體軌道器在火星的日間側(cè)進行相同的工作。

我們都知道，熱空氣會上升，冷空氣會下沉。在火星的白天中，稀薄的大氣在日光的加熱下產(chǎn)生了對流。于是夜間火星地表產(chǎn)生的甲烷氣體——被好奇號探測到——將會在火星日間一路上升散逸在大氣中。當(dāng)它這么做時，它被稀釋于大氣層中，直到微量氣體軌道器無法檢測到的地步。正如Moores 所解釋的：

任何行星表面附近的大氣層在白天都要經(jīng)歷一個循環(huán)。所以我意識到?jīng)]有任何儀器，尤其是軌道上的探測器，能檢測到任何東西。

加利福尼亞州的美國宇航局噴氣推進實驗室的克里斯·韋伯斯特是關(guān)于火星甲烷晝夜差異的新論文第一作者。圖源：噴氣推進實驗室。

約克大學(xué)的John E. Moores首先提問:"如果好奇號和微量氣體軌道飛行器的觀測都是對的，將會怎樣？”

火星甲烷之謎解開了？

答案是日夜差異這么簡單可能嗎？為了檢驗這個問題，“好奇”團隊在日間收集了關(guān)于大氣層的精密數(shù)據(jù)。一個夜間的數(shù)據(jù)則被包括在兩個日間數(shù)據(jù)之內(nèi)。這些設(shè)備用于吸入空氣并排出其中所存在的二氧化碳，它們在每次啟動后會持續(xù)運行兩個小時。因為二氧化碳是火星大氣的主要組成部分（95%），剩余的少量空氣使之更易于探測甲烷。

John Moores已經(jīng)預(yù)測到，日間在蓋爾撞擊坑處的甲烷數(shù)量——好奇號位置處——應(yīng)該大幅降低至0。情況確實如此，引用Paul Mahaffy，好奇號火星探測器儀器團隊負責(zé)人的說法：

John預(yù)測到日間甲烷應(yīng)實質(zhì)上降低至零，我們的兩次日間測量結(jié)果證實了這一點。因此這是一種協(xié)調(diào)這個巨大差異的方式。

有什么東西在摧毀甲烷嗎?

這些最近的觀測可能解釋了為什么甲烷氣體可以在夜間被好奇號探測到，而沒有在白天被微量氣體軌道探測器探測到。如果不存在其他謎團，它們也可能被微量氣體探測器檢測到。也就是說，科學(xué)家們估計，甲烷分子在隨太陽輻射散去之前，應(yīng)該可以在火星大氣中持續(xù)大約300年。如果這是真的，那么很明顯，從蓋爾環(huán)形山和其他環(huán)形山溢出的甲烷應(yīng)該可以被微量氣體軌道探測器探測到。但是甲烷消失了。這意味著一定有別的東西在驅(qū)散它。為什么呢？

科學(xué)家們不知道。他們認為這可能是塵埃引起的弱電現(xiàn)象(火星上有很多塵埃)?；蛘呋鹦潜砻娓浇赡苡凶銐虻难鯕庠诩淄榈竭_上層大氣之前將其清除，在上層大氣中微量氣體軌道探測器可以探測到它。韋伯斯特說：我們需要確定是否有一種比正常情況更快的破壞力量在完全控制探測器和軌道飛行器的數(shù)據(jù)集。

而后，對答案的探索仍將繼續(xù)。

同時，2019年的另一項研究結(jié)論：火星大氣中的甲烷量變化周期按天而不僅僅是按季節(jié)計算。2019年，巖石是風(fēng)蝕的說法被排除了?？茖W(xué)家們認為甲烷來自地下，但仍不知道是生物、地質(zhì)還是兩者兼有?；蚵癫卦诘叵卤鶎又械墓爬霞淄橹芷谛缘蒯尫诺降乇?，或是以其他方式產(chǎn)生的氣體。這兩種可能涉及了生物學(xué)或地質(zhì)學(xué)。而火星甲烷之謎將一直存在。

2017年3月19日，美國宇航局“好奇號”探測器鏡頭拍攝了這張照片。還注意到探測了車輪子的磨損。它從2012年8月開始在蓋爾環(huán)形山撞擊坑進行探測。圖像來自美國宇航局加利福尼亞推進式實驗室/微軟多維空間聲系統(tǒng)。

總結(jié):科學(xué)家們認為，美國宇航局的好奇號探測器能在火星表面探測到甲烷氣體，而歐洲航天局的微量氣體軌道探測器卻未能在火星軌道上探測到甲烷。原因可能是一天中各自勘測甲烷的日程不同。

BY：Paul Scott Anderson

FY：Astronomical volunteer team

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