火星甲烷问题的可能解决方案

在过去的20年里，科学家们一直试图确定火星大气层是否含有甲烷。分子的存在可以揭示地下发生的过程，例如液态水和富含铁的矿物之间的化学反应或甚至微生物活动。然而，轨道飞行器甚至是好奇号探测器都提供了相互矛盾的测量方法，即气体是否存在。

现在，8月20日地球物理研究快报中出现的一项研究提出了一个可以解决争议的解决方案 - 尽管辩论尚未结束。

甲烷辩论

由于从不同仪器获得的测量结果产生了相互矛盾的结果，对甲烷的追求已成为科学家们激烈争论的根源。一方面，美国宇航局的好奇号火星探测器观测到了三个火星年重复的季节性模式，其中甲烷丰度从每百万体积0.2到0.7个不等(ppbv)。火星车还检测到甲烷浓度的高峰和高峰，称为羽流。2013年，其中一个羽毛达到了5.78 ppbv。此外，行星傅立叶光谱仪(PFS)板载欧洲航天局(ESA)轨道飞行器， 火星快车，证实从轨道羽。

另一方面，在2019年4月，研究火星大气的最敏感的航天器的研究人员，Exomars Trace Gas Orbiter报告称，他们在运行数月后未能发现甲烷的迹象。ESA与俄罗斯航天局Roscosmos之间的合作项目Exomars TGO携带两台独立运行的光谱仪，即欧洲NOMAD和俄罗斯ACS。他们可以在高层大气层(离地面超过5公里)处检测出微量的微量气体，但是没有人发现任何甲烷。Exomars团队的科学家得出结论，如果存在任何甲烷，它必须低于0.05 ppbv。

令人好奇的是，如果甲烷以好奇号和火星快车发现的速度泄漏到火星大气中，它会随着时间的推移逐渐积累。目前的模型预测甲烷分子可以在火星大气中存活大约300年，然后被阳光摧毁。因此，即使三种工艺上的仪器探索大气的不同部分，科学家也无法解释为什么TGO甚至看不到一丝甲烷。

一个可能的决议?

科学家现在已经提出了一个可以调和不同测量结果的解释。模拟火星大气中的气体在日常和季节周期中的扩散，他们已经确定在好奇号火山口的Gale Crater中释放的微小但恒定的甲烷可以解释其测量结果。好奇心的仪器设计用于在大气相对静止的夜晚测量甲烷。更稳定的气氛可以更容易地保持从地下源滑出的任何分子。这解释了为什么漫游车检测到了甲烷。另一方面，TGO在太阳驱动的大气混合一天之后测量日落周围的甲烷丰度，此时甲烷已经变得太稀而不能吸收。

John Moores(加拿大约克大学)和他的同事已经计算出，如果Gale Crater的当地消息来源每天产生的甲烷少于2.8千克，这可以解释好奇号的隔夜测量，但不会将全球水平提高到高于TGO的0.05 ppbv检出限。研究人员估计，不到27,000平方公里的火星表面可能以这种低速喷出甲烷。

“这确实是一种非常少量的甲烷!”摩尔说。“它比地球上发现的最小的渗漏少了约20,000倍。”

Moores补充道，值得注意的是，这种微小的甲烷产生率并不排除对其来源的任何可能的解释。“对于涉及通过任何方式降解有机碳的解决方案，火星比地球产生的这种物质少得多，因此你可以预期产生的甲烷量会小很多，”Moores说。“对于水 - 岩反应，这些也可以缓慢进行，导致甲烷很少。”

Mars Express PFS仪器的首席研究员Marco Giuranna(意大利国家天体物理研究所)表示，这些结果与他自己的研究结果一致。他建议好奇号观察到的甲烷，并于2019年由火星快车证实，是从火山口以东500公里处发出的。他提出的一个可能的机制是，一层埋藏的冰将甲烷捕获在地下，然后突然爆发。

“从我的角度来看，甲烷问题最令人困惑的方面不是，为什么会有这么多，但为什么这么少呢?”摩尔斯说。他解释说，每年有数百吨有机碳以行星际尘埃颗粒的形式落在火星上。“当我们在地球上的实验室中将这种材料置于紫外线照射下时，会产生大量的甲烷，足以使火星的气氛始终含有10 ppbv的甲烷!”考虑到模型显示任何气体应该很快分布在整个大气层中的少量甲烷令人费解，尽管Giuranna认为大气混合的日常变化可能有助于解释它。

辩论仍在继续

大气混合解释仅适用于长期甲烷观测 - 短寿命羽流是一个不同的问题。它们可能与地下不断渗透无关。“我认为羽状物和背景是分开的过程，所以不排除另一个过程，”Moores说。“背景渗透是连续的，并且在没有其他影响的情况下发生。”

但其他科学家并不认为提出的甲烷问题解决方案是可行的。“好奇心的报告水平介于0.4和0.5 ppbv之间，但这比我们所知道的要高十倍，”西班牙安达卢西亚天体物理学研究所的Jose Juan Lopez-Moreno说道，他是TGO NOMAD仪器的联合首席研究员。“甲烷不会隐藏。”

相反，洛佩兹 - 莫雷诺提出了一个不同的解决方案：“没有火星甲烷的神秘，因为没有任何甲烷。”

Moores指出，最好的答案只会来自更频繁的测量，最好来自登陆器或漫游车。“我的论文基于在火星上7年收集的12个数据点，”他解释道。“我们曾经认为甲烷浓度在几个世纪之内发生了变化。然后我们看到TLS [好奇心上的乐器]他们在季节中改变了。现在看来甲烷浓度可能在一天中发生变化。“也许从火星2020开始的下一代火星车可以解决争议。