开普勒进行了大量天文观测,发现行星运动轨道

NASA的好奇号在2015年暂时停留在霞浦山较低的区域进行自拍。自2012年以来，它一直在探索火星的这一地区，并收集大气数据等科学数据。照片由美国宇航局提供，JPL加州理工学院/MSSS

好奇号火星车在2019年5月17日用导航相机拍摄了这些漂浮的云。这些云很可能是火星表面上方约30公里处的水冰云。GIF由美国宇航局，JPL加州理工学院提供

据《国家地理》报道(作者迈克尔·格雷什科，编译邱延伦):我们要解开这一发现带来的化学之谜，以便在未来的火星任务中正确搜寻生命。

美国宇航局的火星车花了6年多的时间探索火星稀薄寒冷的空气体，现在有了惊人的发现:火星大气中的氧气比科学家预期的要多，而且活动相当奇怪。

在火星的春天和夏天，氧气含量会突然增加400ppm(百万分之一)，或者比研究人员根据火星大气中其他气体的活动所预期的高30%。氧气激增的部分原因可能与另一种神秘气体有关:火星大气中甲烷的季节性波动。

“火星又耍了我们！密歇根大学的行星科学家Sushil Atreya这样说道。他的团队在《地球物理研究杂志:行星》上报告了异常氧活动的结果。

虽然当我们听到行星的大气层中有氧气时，会不由自主地想到光合作用的可能性，但火星上的非生物活动也可能产生氧气。因此，这一发现不一定是找到生命的证据，而是凸显了我们对火星表面化学知识的匮乏。如果我们想在火星上找到过去或现在生命的直接证据，我们必须填写这些空空格。

明年夏天，四个国家将向火星发射space 空任务来实现这一目标，其中包括美国宇航局的火星2020漫游车，它将收集样本，以便在未来送回地球。欧盟和俄罗斯也联手参与了“地外火星”计划，包括罗莎琳德·富兰克林的火星车。这个机械探测器将在火星表面向下钻至1.8米以上的深度，比以往所有探测器更深入地探索火星内部的化学成分。

“对于任何新的行星系统来说，拥有生命是解释它的最后一种方式。Melissa Trainer是美国宇航局戈达德太空飞行中心的行星科学家，也是这篇研究论文的主要作者，她说:“我们需要确保我们完全了解火星的整个系统是如何工作的。」

不稳定气体

目前，我们对火星大气的大部分知识来自地面望远镜或火星轨道器的测量，这些测量可以寻找能够揭示火星全球成分的化学信号，包括氧气含量。科学家们很早就知道火星上的氧气可以通过非生物方式产生。

当来自太阳的紫外线照射到火星大气中的二氧化碳和水蒸气时，这些分子会分解成它们的成分，并产生氧分子，即O2。最终这些氧分子会通过另一个化学反应形成二氧化碳，完成气体循环。同时，单个氧分子可以在火星大气中存在至少10年，甚至几十年。这种由阳光形成的氧气占目前火星大气的0.13%。

由于氧气的长期稳定性，研究人员认为，火星上的氧气活动基本上会像惰性气体一样，类似于氩气、氮气等惰性气体的波动。但由于尘埃等因素的影响，望远镜无法观测到火星表面以上空气体的可靠数据。这就是火星探测器好奇号派上用场的地方；它从2012年开始在整个火星表面进行探测，收集到的火星本地空气体数据库是有史以来最详细的。

“这确实是一个前所未有的数据库。特纳说。

好奇号的测量显示，火星上的氧气并不那么稳定。不仅氧气含量在每个火星年都会突然增加，而且每年这种突然增加之间也没有规律性。

“当我们第一次看到这种现象时，我的第一反应是，这简直不可思议。”Atrea这么说的。

此外，氧气含量的突然增加似乎与甲烷含量的季节性激增有着奇怪的相似之处。甲烷是火星大气中的微量气体，而地球上的甲烷通常与生命有关。火星上两种气体的浓度在秋季和冬季逐渐降低，然后在春季和夏季逐渐升高。然而，仍然存在一些关键的差异。在火星中部，氧气含量比甲烷更早开始攀升，而且与氧气的不规则激增不同，火星上甲烷含量的峰值年年保持不变。

“这是谜题的一个新部分——我们发现它如此有趣，以至于我们非常有兴趣弄清楚这两者之间是否有真正的联系。特纳说:“这两种气体在表面上可能都有来源，但不清楚它们的来源是否相同。」

对翱翔的好奇

目前，我们不知道氧气含量飙升的任何明显的可能原因。一般来说，从阳光中产生火星氧气的过程没有那么快，所以这种快速激增无法解释。因此，特纳和她的同事们将注意力集中在火星表面，那里有许多含氧化学物质。

一个可能的原因是高氯酸盐，一种在火星土壤中发现的稳定且有毒的盐。基本上，撞击火星的宇宙辐射可能会将高氯酸盐分解成更活泼的化合物，然后释放出氧气。但研究人员表示，这个过程只是达到氧气年度峰值所需速度的百万分之一。

另一种可能性是过氧化氢，它是一种不稳定的化合物，成分与水相似。过氧化氢在地球上被用作防腐剂，但在火星上阳光分解二氧化碳和水蒸气的过程中不断产生，最终成为火星大气的一小部分。化学模型显示，这样形成的过氧化氢可以扩散到火星的土壤中，附着在地下3米深处的颗粒上，形成各种类型的地下储氧层。一些数据显示，火星的地下水层可能已经溶解了足够支持生命的氧气。)

然而，即使在最好的情况下——假设过氧化氢一次可以在土壤中保留1000万年，特纳的研究小组表示，这一过程产生的氧气仅占峰值分子量的十分之一。

研究小组还重新审视了20世纪70年代海盗号着陆器的成就，发现增加火星土壤湿度释放的氧气量非常惊人，但特纳和她的同事不认为这与他们的观察有直接关系。一方面，海盗号的实验是在10摄氏度下进行的，远高于火星表面的平均温度。而且，在没有明显的补充方法的情况下，火星土壤可以一次性释放所有氧气的事实并不能解释为什么氧气含量每年都在飙升。

“维京没有为我们指出嫌疑人，”这项研究的合著者、马里兰大学博士后研究员蒂莫西·麦克康诺奇(Timothy McConnochie)说。“我认为它的结果更像是另一种犯罪。」

奇怪的灰尘

特纳和她的同事仍在集思广益寻找可能的答案。例如，Atrea热衷于研究穿越银河系的高能粒子如何在火星土壤表层数十厘米范围内引发化学反应。没有参与这项研究的加州理工学院行星科学家Bethany Ehlmann指出，火星土壤比地球土壤更具活性。

“我们仍然不完全了解火星土壤的成分；显然，与地球相比，火星的土壤相当特殊，有许多含铁矿物和含硫矿物。”这些矿物质似乎具有非常有趣的特性，”她说。」

未来的火星任务也许能够帮助我们，尤其是如果这些任务能够进行更多的大气测量。由于好奇号有许多科学任务，特纳的团队在整个火星季节期间只获得了19个数据点。虽然这让他们有了长期变化的想法，但他们看不到任何短期变化。如果研究人员可以获得火星每天，甚至每小时的氧气和甲烷数据，会有哪些新发现？

“它会越来越有用──而且会令人惊叹。”这项研究的合著者、月球和行星研究所的科学家赫尔曼·马丁内斯说。

随着每一项新的研究，科学家可以更好地了解非生物反应对火星大气的贡献和贡献程度，也让他们和我们做好准备，在地质学和生物学之间划清界限。

“在地球上，所有这些过程实际上都受到生物圈的影响，”特纳说。“在火星上，我们会对氧气的活性感到惊讶。这告诉我们，还有很多事情在进行着──换句话说，还有更多秘密等着我们去挖掘。」