甲烷之谜尚未解决，好奇号又给科学家扔来了一个氧气谜团

在2019年5月17日，也就是任务的第2410个火星日，NASA的好奇号火星车利用黑白导航相机（Navigation Cameras，Navcams）拍下了这些动态浮动的云。
图片来源：NASA/JPL-Caltech

这些云可能由水和冰构成，距离火星表面大约19英里（31公里）；它们也是一种“夜光”云，这意味着它们距离星球表面异常之高，高到即使当下方的火星表面处于黑夜之中时，它们仍能被太阳的光芒照亮。科学家能观察到来自太阳的光线在何时离开这些云层，从而利用时间信息推断它们的高度。

在人类太空探索的历史上，这还是科学家首次测量火星表面盖尔环形山（Gale Crater）正上方大气成分的季节性变化。测量的结果就是，他们发现了一种令人困惑的气体成分：氧气，这种地球上许多生物赖以生存的呼吸气体，在火星上含量的季节性变化，还无法通过任何已知的化学过程进行解释。

在过去的3个火星年（Martian year，一个火星年由22个月构成，包含668.59个火星日，大约是地球年的1.88倍），也就是大约6个地球年中，火星样本分析仪（Sample Analysis at Mars，SAM）对盖尔环形山上方的大气进行了吸入式采样，并进一步分析了其中的化学成分。火星样本分析仪位于美国航空航天局（NASA）好奇号（Curiosity）火星探测车的腹部位置，就像是一个便携式化学实验室，分析仪得出的结果确认了火星表面的大气成分：95％的二氧化碳（CO2）、2.6％的氮气（N2）、1.9％的氩气（Ar）、0.16％的氧气（O2）， 以及0.06％的一氧化碳（CO）。分析结果还揭示了另一个重要发现，那就是在一个火星年中，火星大气中各种气体分子随着气压变化的混合和循环模式。这种季节性气体成分变化，源于冬季时二氧化碳气体在两极的冻结降低了两极区域的气压，为了保持整体的气压平衡，火星大气会进行重新分配，这将导致整个星球表面的气压降低。在春季和夏季，二氧化碳因温度上升变回气态时，又会混合进入火星大气升高整体气压。

在这样的背景下，科学家发现氮气和氩气的含量遵循了可预测的季节性模式：伴随着二氧化碳在大气中的全年含量变化，氮气和氩气在盖尔环形山上方的浓度也相应呈现出上升和下降的趋势。科学家理所应当地认为氧气的含量变化也会如此，但事实却没有那么简单，在整个春季和夏季氧气都反其道而行之，含量最多时相比冬季竟然增加了30％，随后在秋季又会回降到用已知的化学方法所预测的浓度水平。尽管每一年大气中增添的氧气含量不尽相同，但这种含量增高的变化模式在每个春季都会重复出现，这意味着，火星上存在着某种物质在持续地生产氧气，然后又消耗掉它。

盖尔环形山上方大气中氧气含量的季节性变化
图片来源：梅丽莎•特雷纳/丹•加拉格尔（Dan Gallagher）/NASA戈达德航天飞行中心

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密歇根大学安娜堡分校（University of Michigan in Ann Arbor）的气候与空间科学教授苏希尔•阿特雷亚（Sushil Atreya）表示：“第一次看到这个结果时，我们根本无法相信。”阿特雷亚和其他研究人员一同，将这一结果总结成了一篇论文，于11月12日发表在了《地球物理学研究杂志：行星》（Journal of Geophysical Research: Planets）上。

科学家刚一发现氧气谜团，致力于火星研究的专家就开始尝试用各种已有的信息和知识去解释这个现象。首先，对火星样本分析仪中用于测量气体含量的四极杆质谱仪（Quadrupole Mass Spectrometer），火星科学家进行了再三的准确性检查，结果表明仪器状态良好，没有任何问题。于是，他们又考虑了另一种可能性：当CO2或水（H2O）这两种分子在大气中分解、分子键断开时，可能会释放出氧气，从而导致大气中氧含量的短暂上升。但是，要产生探测到的这些额外的氧气，需要比火星现有含量高出五倍的水，而在这么短的时间内，二氧化碳的分解速度根本满足不了相应的氧气增加。除此之外，氧气减少又是怎么回事呢？来自太阳的辐射能将氧气分子分解成两个原子然后吹向太空吗？科学家得出的结论是：不能，因为氧气如果要通过这样的过程消失掉，至少需要10年的时间。

“我们正艰难地找寻这种现象可能的解释，”领导这项研究的梅丽莎•特雷纳（Melissa Trainer）表示，“氧气在每个季节的含量都不具备完全可重复的性质，这让我们认为氧气含量的变化与大气动力学无关。它只能来自某些产氧和耗氧的化学反应，但是我们尚且无法解释。”特雷纳是一名行星科学家，来自NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）。

对于研究火星的科学家来说，氧气的这种异象与甲烷之谜如出一辙。在盖尔环形山表面的大气之中，甲烷以极为微小的含量阴魂不散地停留驻足，平均浓度只有0.00000004％。即使是火星上现有的最灵敏的仪器，也很难能检测的到，不过，它还是被火星样本分析仪的可调谐激光光谱仪（Tunable Laser Spectrometer，TLS）探测到了，测得的结果显示，尽管甲烷含量会随季节上升和下降，但由于某种莫名其妙的原因，甲烷的丰度在夏季增高了大约60％。（实际上，除了这一点让科学家困惑不已，火星上甲烷的含量还会随机地急剧增加，研究人员正在努力找出其中缘由。）

有了新的氧气含量信息在手，特雷纳的团队开始思考：是否存在一种与导致甲烷自然季节性变化相似的化学过程，正好引发了氧气含量的这种季节性波动呢？因为至少在某些偶然的时间段里，甲烷和氧气的波动似乎具有协同性。

“在一个火星年的大部分时间里，我们开始注意到甲烷和氧气之间这种神奇而引人遐想的联系，”阿特雷亚说道，“我认为这里面应该另有玄机，只是我还不知道具体是啥，目前为止也还没人知道。”

盖尔环形山上方大气中氧气与甲烷含量的季节性变化
图片来源：梅丽莎•特雷纳/丹•加拉格尔/NASA戈达德航天飞行中心

氧气和甲烷的产生，都既可以通过生物学方式（例如微生物相关的反应）又可以通过非生物学的方式（例如与水和岩石相关的化学过程）来完成。尽管现在还没有任何令人信服的证据表明火星上存在生物活性，但科学家还是将所有的可能性都纳入了考虑范围。好奇号上并没有这样一种分析工具，来确切地判断火星上的甲烷或氧气究竟是来源于生物学过程还是非生物学的地质过程，但是另一方面，科学家对非生物学的解释给予了更高的期望，并且正在奋力地想要弄明白到底是怎么回事。

1976年，海盗1号火星探测器着陆点处的日落景象
图片来源：NASA/JPL

特雷纳团队认为，春季时额外的氧气增量可能来源于火星土壤，毕竟，众所周知的是它富含诸如过氧化氢和高氯酸盐这一类的化合物，容易分解产生氧气。在海盗号（Viking）两个火星探测器上进行的一项实验表明：在几十年以前，火星土壤中的氧气会因为温度和湿度的升高而释放。然而，这项实验是在与火星春季环境完全不同的条件下进行的，并且在其他问题存在的同时，也无法解释氧气下降的原因。目前，其他可能的解释也不能完全说得通，例如研究人员在论文中提出的：火星土壤中的高能辐射可能导致了额外氧气的生成，从而混入大气里；但是另一方面，要想得到哪怕只是一个春季里测得的氧气增量，也得花上100万年的时间，才能在火星土壤中积累到足够的氧气。

“虽然目前而言，我们还没法儿提出任何一种能够产生所需氧气增量的化学过程，但是我们认为，它一定是表层土壤中随季节变化的某种过程，因为大气中根本没有足够的氧原子可以用来来引发我们所观测到的氧含量波动。”论文的另一位共同作者、来自马里兰大学大学城分校（University of Maryland in College Park）的助理研究员蒂莫西•麦康诺奇（Timothy McConnochie）表示。

在此前的火星探测器中，唯一拥有能够检测火星表面附近大气成分仪器的，就是在1976年登陆火星的两架NASA海盗号火星探测器了。然而遗憾的是，海盗号实验只持续了短短几个火星日，没有办法揭示不同气体的季节性变化模式，新的火星样本分析仪则成为了第一个进行这项测量的仪器。火星样本分析仪的研究团队将继续测量火星大气中的气体成分，让科学家能够收集到每个季节更详细的数据。同时，特雷纳和她的团队希望其他火星科学家能够揭开氧气变化之谜。

“这么多年以来，这还是我们第一次看到这种有趣的现象。我们并不完全明白其中的奥秘，”特雷纳说道，“对我来说，这是一个面向所有对此感兴趣的聪明人的公开感召：你会有怎样的绝妙解释呢？”

参考来源：
[1] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/with-mars-methane-mystery-unsolved-curiosity-serves-scientists-a-new-one-oxygen/
[2] https://mars.nasa.gov/msl/spacecraft/instruments/sam/
[3] https://mars.nasa.gov/msl/home/
[4] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JE006175
[5] https://www.nasa.gov/feature/jpl/curiosity-detects-unusually-high-methane-levels