为什么火星上会渗出甲烷NASA科学家有新想法

美国宇航局好奇号火星探测器最令人惊讶的发现——甲烷正在从盖尔陨石坑表面渗出——让科学家们摸不着头脑。

地球上的大部分甲烷是由生物产生的。但科学家们尚未在火星上发现当前或古代生命的令人信服的迹象，因此并不期望在那里发现甲烷。然而，好奇号上的便携式化学实验室(称为SAM，即火星样本分析)不断在盖尔陨石坑表面附近嗅出气体的痕迹，盖尔陨石坑是迄今为止火星表面唯一检测到甲烷的地方。科学家认为，其可能的来源是涉及地下深处的水和岩石的地质机制。

如果这就是整个故事，事情就很简单了。然而，SAM发现盖尔陨石坑中的甲烷表现出意想不到的行为。它在晚上出现，在白天消失。它随季节波动，有时会飙升至平时的40倍。令人惊讶的是，甲烷也没有在大气中积聚：欧空局(欧洲航天局)专门派往火星研究大气中气体的ExoMars微量气体轨道飞行器没有检测到甲烷。

为什么一些科学仪器能够检测到红色星球上的甲烷，而另一些则不能?

“这是一个情节曲折的故事，”负责好奇号任务的南加州美国宇航局喷气推进实验室的好奇号项目科学家阿什温·瓦萨瓦达(AshwinVasavada)说。

甲烷让火星科学家们忙于实验室工作和计算机建模项目，这些项目旨在解释为什么这种气体表现得很奇怪并且只在盖尔陨石坑中被发现。美国宇航局的一个研究小组最近分享了一个有趣的提议。

该小组在《地球物理研究杂志：行星》三月份发表的一篇论文中指出，甲烷——无论它是如何产生的——都可以被密封在火星风化层中可能形成的固化盐下，火星风化层是由破碎的岩石和灰尘组成的“土壤”。当温暖的季节或白天的温度升高时，密封性减弱，甲烷可能会渗出。

在马里兰州格林贝尔特美国宇航局戈达德太空飞行中心的行星科学家亚历山大·巴甫洛夫的领导下，研究人员提出，当密封件在小型SUV大小的漫游车驶过的压力下破裂时，气体也可能会喷发。。巴甫洛夫说，该团队的假设可能有助于解释为什么只在盖尔陨石坑中检测到甲烷，因为这是火星上机器人在表面漫游和钻探的两个地方之一。(另一个是杰泽罗陨石坑，美国宇航局的毅力号火星车正在那里工作，尽管该火星车没有甲烷检测仪器。)

巴甫洛夫将这一假设的起源追溯到他在2017年领导的一项不相关的实验，该实验涉及在注入盐的模拟火星永久冻土(冰冻土壤)中培养微生物，就像火星永久冻土的大部分一样。

巴甫洛夫和他的同事测试了生活在咸水湖和地球上其他富含盐分的环境中的嗜盐细菌是否可以在火星上的类似条件下繁衍生息。

他说，微生物生长的结果并没有得出结论，但研究人员注意到了一些意想不到的事情：随着咸冰升华，土壤表层形成盐壳，从固体变成气体，并留下盐。

2018年，美国宇航局宣布，好奇号火星车上的火星化学实验室的样本分析发现了在岩石中保存了数十亿年的古老有机分子。像这样的发现有助于科学家了解早期火星的宜居性，并为未来前往这颗红色星球的任务铺平道路。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

火星和地球上的永久冻土

“我们当时并没有想太多，”巴甫洛夫说，但他记得2019年的土壤结皮，当时SAM的可调谐激光光谱仪检测到了无人能解释的甲烷爆发。

“就在那时，我突然想到了这一点，”巴甫洛夫说。就在那时，他和一个团队开始测试可能形成和破裂硬化盐密封的条件。

巴甫洛夫的团队测试了五个永久冻土样本，其中注入了不同浓度的高氯酸盐盐，这种盐在火星上广泛存在。(今天的盖尔陨石坑可能没有永久冻土，但这些密封可能是很久以前盖尔更冷、更冰的时候形成的。)科学家们将每个样本暴露在美国宇航局戈达德火星模拟室内不同的温度和气压下。

巴甫洛夫的团队定期将氖气(一种甲烷类似物)注入土壤样本下方，并测量其下方和上方的气压。样品下方的压力较高意味着气体被捕获。最终，仅在高氯酸盐浓度为5%至10%的样品中，在类似火星的条件下，3至13天内就形成了密封。

这个盐浓度比好奇号在盖尔陨石坑测量到的盐浓度高得多。但那里的风化层富含一种不同类型的盐矿物，称为硫酸盐，巴甫洛夫的团队接下来想要测试硫酸盐，看看它们是否也能形成密封。

好奇号火星车已经到达了一个据信是在火星气候干燥时形成的区域。

提高我们对火星上甲烷生成和破坏过程的理解是2022年NASA行星任务高级审查的一项重要建议，而像巴甫洛夫这样的理论工作对于这项工作至关重要。然而，科学家表示，他们还需要更一致的甲烷测量。

SAM每年只嗅探几次甲烷，因为它的主要工作是从地表钻取样本并分析其化学成分。

戈达德实验室的SAM首席研究员CharlesMalespin表示：“甲烷实验需要大量资源，因此当我们决定进行这些实验时，我们必须非常具有战略性。”

然而，科学家表示，例如，要测试甲烷水平飙升的频率，就需要新一代的表面仪器，可以从火星上的许多地点连续测量甲烷。

瓦萨瓦达说：“一些甲烷工作将不得不留给未来的地面航天器，它们更专注于回答这些具体问题。”