火星甲烷之谜？取决于一天中的时间

欧洲航天局的非载人火星探测任务的一部分：微量气体轨道探测器概念图。尽管NASA的好奇号火星车多次在火星大气中检测到了甲烷，这部仪器在对火星大气进行了分析后仍然无法找到任何甲烷存在的迹象。如今，科学家们认为他们知道了原因。图源ESA.

令人费解的火星甲烷谜团

多年来，科学家们一直在试图揭示出是什么制造出了火星上的甲烷。地球生命会产生甲烷。望远镜、轨道探测器以及好奇号火星车都在火星上检测到了甲烷。证据似乎很确凿。那里确实存在甲烷，尽管数量比地球有的甲烷少的多。但也存在令人不安的矛盾。有些仪器检测到了甲烷气体，与此同时其他本应也能检测到的仪器却检测不到。为什么？最近一项于2021年6月29日发表的最新研究使科学家们距离解决火星甲烷之谜的目标更近了一步。

正是好奇号火星车任务团队的科学家提出了针对这个谜题的一个解决方案。一项最新研究聚焦于好奇号在盖尔撞击坑检测到甲烷以及作为欧空局非载人火星探测任务的一部分的微量气体轨道探测器未能探测到甲烷两者之间的差异。好奇号对甲烷周期性的峰值进行了反复观测，而微量气体轨道探测器却未能明确探测到甲烷。

这项最新成果表明一天中的不同时刻与这种差异有重大关系。好奇号和微量气体轨道探测器是在火星上一天的不同时间勘测甲烷。

《天文学和天体物理学杂志》6月29日发表了这项经专家评审过的研究成果。

火星上的甲烷：有或无？

欧空局的非载人火星探测任务事实上是两项任务。第一项就是2016年发射的微量气体轨道探测器。第二项计划于2022年发射，由一个漫游车及其着陆平台组成。他们将共同解决火星上是否存在过生命的问题。既然地球生命会产生甲烷气体，火星甲烷问题也就关系到火星生命存在与否的问题。在2016年非载人火星探测任务开始时，科学家们预计轨道器会检测到火星甲烷气体。它的仪器极其灵敏，甚至微量的甲烷气体也难逃其法眼。

但是微量气体轨道探测器并未探测到火星甲烷气体。这个结果让科学家们感到非常困惑。这与好奇号、其他火星轨道探测器及望远镜之前的发现大相径庭。

Chris Webster 是好奇号火星车上可调谐激光光谱仪的负责人。他是这篇关于火星甲烷探测的昼夜差异论文的第一作者。他评论道：

当微量气体轨道探测器于2016年着陆火星时，我满心期待轨道器团队会宣布火星上到处都存在着少量的甲烷气体。

他接着说到，当欧洲的微量气体轨道探测器一无所获，根本没有发现甲烷时...我非常的震惊。

好奇号火星车在2019年5月12日的自拍。它从2012年开始就在盖尔撞击坑探索至今。图源：NASA/加州理工-喷气推进实验室/马林空间科学系统

NASA的好奇号火星车已多次探测到甲烷气体。它曾发现了甲烷气体的季节性周期循环，现在似乎同样存在以天为周期的循环。图源NASA/加州理工-喷气推进实验室

两部仪器，矛盾的结果

Webster安装在好奇号上的仪器（可调谐激光光谱仪）是一部帮助分析于盖尔撞击坑发现的甲烷的设备。它发现，平均而言，在这个撞击坑中背景甲烷值在体积上小于十亿分之0.5，然而，有时这部仪器又检测到甲烷值的爆发，可以达到十亿分之20（虽然听起来不像,但这意义重大）。

微量气体轨道探测器和好奇号上的仪器都应该能够检测到极其微量的甲烷。所以为什么他们会得出如此矛盾的结果？

既然好奇号确实发现了甲烷，会不会是设备本身释放出来的？任务小组检查了火星车可能产生甲烷气体的所有途径，但一无所获。Webster说道：

于是我们检查了与火星车有关的一切元素，比如地面、压碎的石块、车轮退化，凡是你能想到的。我不想夸大团队在每一个小细节上所做的努力，以确保那些那些测量都是准确无误的，而事实上也确实如此。

微量气体轨道探测器已如预期发现了二氧化碳、臭氧等气体，但没发现甲烷（CH4）气体。现在看来可能是火星上层大气中的甲烷气体被稀释的太多以至于无法被在白天进行检测工作时的轨道器检测到。图源：Olsen等/ESA

在好奇号的研究成果似乎已被确认的情况下，另一位来自多伦多的约克大学的科学家John E. Moores 开始关注这个谜题。他解释道：我采用了被一些同行们称之为“加拿大视角”的观点来看待这个问题，并提出了如下问题：“假如好奇号和微量气体轨道探测器两者的测量结果都是对的呢？”

昼夜差异

正是那时Moores 提议答案可能与火星一天中的不同时间有关。特别是好奇号上的可调谐激光光谱仪——就是检测到了甲烷的那部仪器——主要在夜间使用。在它工作期间好奇号上没有其他仪器在同时工作。这归咎于这部仪器需要强大的电力供应。正如Moores所推断的，这使得好奇号更容易在夜间空气相对平静的情况下检测到火星地表的甲烷气体。

而另一方面，微量气体轨道探测器的工作模式完全不同。这部在火星轨道上的仪器需要阳光提供能量以能够在火星地表上空3英里（5公里）处检测甲烷气体。于是当好奇号在夜间寻找甲烷的时候，微量气体轨道器在火星的日间侧进行相同的工作。

我们都知道，热空气会上升，冷空气会下沉。在火星的白天中，稀薄的大气在日光的加热下产生了对流。于是夜间火星地表产生的甲烷气体——被好奇号探测到——将会在火星日间一路上升散逸在大气中。当它这么做时，它被稀释于大气层中，直到微量气体轨道器无法检测到的地步。正如Moores 所解释的：

任何行星表面附近的大气层在白天都要经历一个循环。所以我意识到没有任何仪器，尤其是轨道上的探测器，能检测到任何东西。

加利福尼亚州的美国宇航局喷气推进实验室的克里斯·韦伯斯特是关于火星甲烷昼夜差异的新论文第一作者。图源：喷气推进实验室。

约克大学的John E. Moores首先提问:"如果好奇号和微量气体轨道飞行器的观测都是对的，将会怎样？”

火星甲烷之谜解开了？

答案是日夜差异这么简单可能吗？为了检验这个问题，“好奇”团队在日间收集了关于大气层的精密数据。一个夜间的数据则被包括在两个日间数据之内。这些设备用于吸入空气并排出其中所存在的二氧化碳，它们在每次启动后会持续运行两个小时。因为二氧化碳是火星大气的主要组成部分（95%），剩余的少量空气使之更易于探测甲烷。

John Moores已经预测到，日间在盖尔撞击坑处的甲烷数量——好奇号位置处——应该大幅降低至0。情况确实如此，引用Paul Mahaffy，好奇号火星探测器仪器团队负责人的说法：

John预测到日间甲烷应实质上降低至零，我们的两次日间测量结果证实了这一点。因此这是一种协调这个巨大差异的方式。

有什么东西在摧毁甲烷吗?

这些最近的观测可能解释了为什么甲烷气体可以在夜间被好奇号探测到，而没有在白天被微量气体轨道探测器探测到。如果不存在其他谜团，它们也可能被微量气体探测器检测到。也就是说，科学家们估计，甲烷分子在随太阳辐射散去之前，应该可以在火星大气中持续大约300年。如果这是真的，那么很明显，从盖尔环形山和其他环形山溢出的甲烷应该可以被微量气体轨道探测器探测到。但是甲烷消失了。这意味着一定有别的东西在驱散它。为什么呢？

科学家们不知道。他们认为这可能是尘埃引起的弱电现象(火星上有很多尘埃)。或者火星表面附近可能有足够的氧气在甲烷到达上层大气之前将其清除，在上层大气中微量气体轨道探测器可以探测到它。韦伯斯特说：我们需要确定是否有一种比正常情况更快的破坏力量在完全控制探测器和轨道飞行器的数据集。

而后，对答案的探索仍将继续。

同时，2019年的另一项研究结论：火星大气中的甲烷量变化周期按天而不仅仅是按季节计算。2019年，岩石是风蚀的说法被排除了。科学家们认为甲烷来自地下，但仍不知道是生物、地质还是两者兼有。或埋藏在地下冰层中的古老甲烷周期性地释放到地表，或是以其他方式产生的气体。这两种可能涉及了生物学或地质学。而火星甲烷之谜将一直存在。

2017年3月19日，美国宇航局“好奇号”探测器镜头拍摄了这张照片。还注意到探测了车轮子的磨损。它从2012年8月开始在盖尔环形山撞击坑进行探测。图像来自美国宇航局加利福尼亚推进式实验室/微软多维空间声系统。

总结:科学家们认为，美国宇航局的好奇号探测器能在火星表面探测到甲烷气体，而欧洲航天局的微量气体轨道探测器却未能在火星轨道上探测到甲烷。原因可能是一天中各自勘测甲烷的日程不同。

BY：Paul Scott Anderson

FY：Astronomical volunteer team

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