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Nov. 27 2019

誰在搞鬼?火星氧氣的飆升讓科學家困惑不已

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  • NASA的好奇號於2015年暫時停留在夏普山的較低區域,拍攝自拍照。自2012年以來,它就一直在探索火星的這個區域,收集大氣資料等科學數據。PHOTOGRAPH COURTESY NASA, JPL-CALTECH/MSSS

我們得解開這個發現所帶來的化學謎團,才能在未來的火星任務中正確地搜尋生命。

美國航太總署(NASA)的火星探測車花了超過6年的時間,探查火星稀薄而寒冷的空氣,現在它有了驚人的大發現:火星大氣中的氧氣比科學家預期的更多,而且活動相當奇特。

在火星的春季和夏季,氧氣的含量會突然增加400ppm(parts per million),或是說比研究人員根據火星大氣中其他氣體的活動所預期的還要高出30%。氧氣量的飆升有部分可能是與另一種神秘的氣體有關:火星大氣中甲烷的季節性起伏。

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「火星又耍了我們一次!」密西根大學(University of Michigan)的行星科學家蘇希爾.阿特雷亞(Sushil Atreya)這麼說,她們的團隊在《地球物理研究期刊:行星》(Journal of Geophysical Research: Planets)上報告有關氧氣異常活動的結果。

儘管在聽到行星大氣中有氧氣的時候,我們都不禁考慮起光合作用的可能性,但是火星上的非生物活動也有可能產生氧氣。因此這個發現並不必然是找到生命的證據,反而凸顯出我們對火星表面化學知識的欠缺。如果我們想要尋找過去或現今火星生命的直接證據,就得要填補這些空白才行。

明年夏天,有四個國家將發射太空任務前往火星,以實現這個目標,其中包括了NASA的「火星2020」(Mars 2020)探測車,這輛探測車將收集未來要送回地球的樣本。歐盟和俄羅斯也聯手執行包含羅莎琳.富蘭克林(Rosalind Franklin)探測車在內的「火星天文生物學」(ExoMars)任務,這位機械探險家將在火星表面向下鑽探超過1.8公尺深,比先前的所有探測器更加深入探索火星內部的化學組成。

好奇號(Curiosity)探測車於2019年5月17日利用導航相機拍攝了這些漂動的雲層,這些雲型很可能是距離火星表面上方約30公里的水冰雲。GIF COURTESY NASA, JPL-CALTECH

「以任何新的行星系統來說,擁有生命是最後一個解釋方式。」這篇研究論文的主要作者──NASA戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的行星科學家梅利莎.特納(Melissa Trainer)表示:「我們得要確認我們完全了解火星的整體系統是如何運作的。」

不穩定的氣體

目前我們對火星大氣的認識,大部分來自地面望遠鏡或火星軌道器的測量,它們可以尋找能揭露火星全球性組成的化學訊號,包括氧氣的含量。科學家先前就已經知道,火星上的這些氧氣能夠透過非生物的方式製造出來。

當來自太陽的紫外光撞擊火星大氣中的二氧化碳和水蒸氣時,會將這些分子分解成它們的組成成分,產生氧分子,也就是O2。最終,這些氧分子會經由另一種化學反應形成二氧化碳,完成氣體循環。同時,一個單獨的氧分子能夠在火星大氣中存在至少10年,或甚至數十年之久。這種由陽光形成的氧氣占目前火星大氣的0.13%。

由於氧氣的長期穩定性,研究人員認為火星上的氧氣活動,基本上會像非活性氣體那樣,與氬氣和氮氣等惰性氣體的含量起伏類似。但由於受到塵埃和其他因素的影響,望遠鏡無法觀測到火星表面上方空氣的可靠數據。而這正是火星探測車好奇號派上用場的地方;它自2012年以來就一直在火星地表上四處探測,所收集到的火星局部空氣數據庫是有史以來最詳盡的。

「這確實是前所未有的數據資料庫。」特納表示。

好奇號的測量結果顯示,火星上的氧氣並沒有這麼穩定。氧氣含量不但在每個火星年都會突然增加,而且每年的這種突然增加之間也沒有什麼規則性。

「當我們第一次看到這個現象時,我的第一個反應是,這簡直是不可思議。」阿特雷亞這麼說。

此外,氧氣含量的突然增加似乎與甲烷含量的季節性飆升有著奇特的相似性。甲烷是火星大氣中的微量氣體,而地球上的甲烷通常與生命有關。這兩種氣體的濃度都在火星的秋季和冬季逐漸減少,然後在春季和夏季逐漸增加。但仍有一些關鍵差異,氧氣含量在火星年中開始攀升的時間要早於甲烷,而且與氧氣的不規則飆升不同,火星上甲烷含量的高峰逐年保持一致。

「這是謎題的全新部分──我們發現這實在太有趣了,我們非常有興趣弄清楚這兩者之間是否存在真正的關聯。」 特納說:「兩種氣體可能都在地表有個源頭,但還不清楚它們的源頭是否相同。」

對飆升的好奇

目前,我們還不知道有任何明顯的可能原因造成氧氣含量飆升。一般由陽光產生火星氧氣的過程沒那麼快,因此無法解釋這種迅速飆升。因此,特納和她的同事們將目光聚焦在火星表面,畢竟那裡有很多含氧的化學物質存在。

一個可能的成因是過氯酸鹽(perchlorates),這是種在火星土壤中發現的穩定有毒鹽類。基本上,撞擊火星的宇宙輻射可能會將過氯酸鹽分解成活性更高的化合物,進而釋放出氧氣。但研究人員表示,這個過程的發生速度,僅為達到氧氣年度峰值所需速度的百萬分之一。

另一種可能是過氧化氫,這是種成分與水相近的不穩定化合物。過氧化氫在地球上被當作防腐劑使用,在火星上則會在陽光分解二氧化碳和水蒸氣的過程中不斷產生,最終成為了火星大氣的一小部分。化學模型顯示這樣形成的過氧化氫可以擴散到火星的土壤之中,並黏附在地下3公尺深的顆粒上,形成各種類型的地下儲氧層。(有些數據顯示,火星的地下水層可能溶解了足夠的氧氣,而能支撐生命存在。

但是,即使在最好的情況下──假設過氧化氫每次可以在土壤中保留1000萬年,特納的研究團隊表示,這個過程所能產生的氧氣僅占峰值分子量的十分之一。

研究團隊還重新檢視了1970年代維京號(Viking)登陸器的成果,當時發現增加火星土壤的溼度後能釋放出的氧氣量驚人,但是特納和她的同事並不認為這與他們的觀察結果有直接的相關性。一方面,維京號的實驗是在攝氏10度下進行的,這個溫度遠比火星的平均表面溫度要來得更高。而且在缺乏明顯的補充方法之下,火星土壤能一次將氧氣全部釋放出來的這點,無法解釋氧氣含量為何每年都會飆升的問題。

「 維京號並沒有為我們指出嫌疑犯,」這篇研究的共同作者──馬里蘭大學(University of Maryland)的博士後研究員蒂莫西.麥康諾奇(Timothy McConnochie)表示:「我認為它的結果比較像說明了另一種犯罪。」

奇特的塵埃

特納和她的同事們還在腦力激盪,討論可能的答案。例如,阿特雷亞熱衷於研究穿越銀河系的高能量粒子如何在火星土壤的表層數十公分內引發化學反應。並未參與這項研究的加州理工學院(Caltech)行星科學家博特.埃爾曼(Bethany Ehlmann)則指出,火星土壤要比地球土壤還要更具有反應活性。

「我們仍然不完全了解火星土壤是的組成成分;很顯然,相對於地球而言,火星的土壤相當特別,擁有許多含鐵的礦物質和含硫的礦物質。」她說:「這些礦物質似乎具備相當有趣的特性。」

未來的火星任務也許能夠為我們提供幫助,特別是如果這些任務可以進行更多的大氣測量。由於好奇號有許多科學任務,因此特納的團隊在整個火星季節的變化中僅獲得了19個數據點。儘管這讓他們對長期變化有所了解,但卻無法看到任何短期的變化。如果研究人員可以每天,或甚至每小時獲得火星的氧氣和甲烷數據,又會有什麼新發現呢?

「那會更加、更加有用──而且一定會很驚人。」這篇研究的共同作者──月球與行星研究所(Lunar and Planetary Institute)的科學家日爾曼.馬丁尼茲(Germán Martínez)說。

科學家藉由每項新研究,能夠更理解非生命反應對火星大氣的貢獻以及貢獻的程度,也能讓他們和我們做好準備,在地質學和生物學之間劃出界線。

「在地球上,所有的這些過程實際上都還是受到生物圈的影響,」特納表示: 「而到了火星上,我們會對氧氣的活動為感到訝異。這告訴我們,還有很多事情在發生──也可以說,還有更多秘密等著我們去挖掘。」

延伸閱讀:在火星發現神秘磁脈衝,而且只在午夜出現!火星也和地球一樣有地震嗎?NASA洞察號啟航探索!

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