氧气的季节性变化让火星上的大气更加神秘
今年早些时候，NASA的“好奇号”探测器测量到一次令人困惑的甲烷爆炸，科学家们再次对大气中氧气的变化感到惊讶。
火星上的空气并不多，大气压力还不到地球上的1%。而占火星大气0.13%的氧气是最新的科学难题。
在本月发表于《地球物理研究杂志：行星》的一篇论文中，科学家们根据NASA的“好奇号”探测车收集的数据报告称，火星上的氧气水平出人意料地随着季节变化而变化，至少在“好奇号”自2012年以来一直行驶的那个区域是这样的。
今年早些时候，“好奇号”探测器探测到火星上有大量的甲烷气体喷发，甲烷是地球上生物排放的一种气体，但令人费解的是，甲烷气体几乎又立即消失了。
“这令人困惑，但也令人兴奋，”密歇根大学气候与空间科学教授苏希尔K.阿特雷亚(Sushil K. Atreya)说。“这让我们保持警觉。火星一点都不无聊。”
火星年持续687天，所以科学家们能够研究直到2017年12月的近三个火星年里氧气的变化。
NASA戈达德太空飞行中心的太空科学家梅丽莎·G·特雷纳(Melissa G. Trainer)是这篇新论文的第一作者，她说，氧气含量“在春季相对上升，然后下降得更低，低于我们在今年晚些时候的预期。”
二氧化碳是火星空气的主要成分，几十年来科学家们已经了解了它的涨落。在冬天的两极，它从空气中落下并冻结成冰，然后随着春天气温的升高飘回大气层。
在火星大气层的高处，紫外线将二氧化碳分解成一氧化碳和氧原子，然后靠近地面，与水的相互作用使氧原子形成分子对。
因为氧分子相对稳定，可持续大约十年，研究人员预计氧分子的数量将保持几乎恒定不变。
“好奇号”的大气测量结果显示，火星大气中另外两种微量气体氮气和氩气的模式完全相同。但是，对于氧气来说，在春季，浓度上升了三分之一。
“这是一个非常意外的结果，一个意外的现象，”特雷纳博士说。“很明显，我们对火星上的氧气循环还有很多不了解。”
更神秘的是，每年的周期都不一样，科学家们无法找到一个明显的解释——比如温度、沙尘暴或紫外线辐射——年复一年的变化。
在地球上，大多数氧气是由植物的光合作用产生的。但到目前为止，对于火星科学家来说，这还远远不能解释。
阿特雷亚博士说，“在你去那里之前，你必须先排除所有其他的不确定性。”
更可能的来源是存在于火星土壤中的化学物质，如过氧化氢和高氯酸盐。“很明显，我们需要的证据可能来自火星地表，”阿特雷亚博士说。“因为大气中没有任何东西会造成这种上升。”
但是这些化学物质如何释放和吸收足够的氧气来解释季节性的升降很难弄清楚，尤其是在5年半的时间里只有19次氧气测量。
一个有趣的可能性是，氧气之谜可能与另一种微量气体——甲烷有关，而甲烷在火星大气中也有奇怪的活动。
“目前还不完全清楚两者之间是否存在相关性。”特雷纳博士说。
自2003年以来，几组科学家通过地面望远镜、轨道飞行器和“好奇号”漫游者的测量，报告了大量甲烷的爆发。其他时候，甲烷基本上不存在。
甲烷的存在令科学家们感到惊讶，因为已知的产生甲烷的过程要么是生物的——产生甲烷的微生物——要么是地热的，而这将是在火星上存在生命的一个很有希望的环境。
现在科学家们不仅想知道甲烷是如何在火星上产生的，还想知道它是如何迅速消失的。今年6月，“好奇号”观测到一次特别强烈的甲烷喷发——甲烷含量为百万分之21。但是几天后，当它重复这个实验时，发现它几乎消失——少于十亿分之一。
欧洲航天局的火星快车探测器在好奇号探测到爆炸大约5个小时后，经过了好奇号漫游者所在的盖尔环形山，但没有发现任何东西。(该仪器也证实了“好奇号”在2013年观测到的一次甲烷爆炸。)
“我想说的是，由‘好奇号’测量到的这种峰值是非常短暂的，而且是局部的，”负责火星快车探测器的意大利国家天体物理研究所的科学家马可·吉拉纳(Marco Giuranna)说。
即使在两次爆炸之间，火星上的甲烷也是一个谜。“好奇号”探测到的甲烷含量很低，但却持续存在，大约是410ppm，随着季节的变化而变化。但是一个较新的欧洲轨道飞行器，ExoMars微量气体轨道飞行器，能够测量的甲烷量可达万亿分之50。而自从去年4月开始测量以来，却还没有发现任何甲烷。
跟踪气体轨道器正在地面上方几英里处观测，好奇号正在地面上进行测量。但科学家们曾认为，地面附近的甲烷会在几周内混入高层大气。
俄罗斯太空研究所的奥列格·科拉贝夫（Oleg Korablev）博士也是测量甲烷的两种微量气体轨道仪器之一的首席研究员。他在一封电子邮件中写道：“科学难题在于，这两种证据无法调和。”
微量气体轨道器项目的科学家哈坎·斯韦德赫姆说:“我们知道没有任何机制可以在这么短的时间内完全摧毁甲烷。所以，除非‘好奇号’恰好位于火星上甲烷唯一的本地来源之上，否则它真的是一个谜。即使它会，这个来源也必须是一个小来源。”
科拉贝夫博士说，参与这三个任务的科学家计划在12月15日和12月下旬对盖尔环形山进行几乎同时的观测。
明年，将计划向火星发射四次任务。其中三个由NASA、中国、欧盟和俄罗斯联合建造，将尝试在火星表面安置新的探测器。第四个是阿拉伯联合酋长国的宇宙飞船，将进入轨道。但都不会携带测量甲烷或氧气的仪器。
