为什么甲烷在火星上渗出？美国国家航空航天局科学家有新想法

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据美国宇航局（Lonnie Shekhtman）：美国国家航空航天局“好奇号”火星车最令人惊讶的发现——盖尔陨石坑表面正在渗出甲烷——让科学家们挠头。

地球上大部分甲烷是由生物产生的。但科学家们还没有在火星上发现令人信服的现代或古代生命迹象，因此也没想到会在那里发现甲烷。然而，“好奇号”上的便携式化学实验室，即SAM，或火星样本分析，一直在盖尔陨石坑表面附近探测到气体的痕迹，盖尔陨石坑是迄今为止火星表面唯一探测到甲烷的地方。科学家们推测，它可能的来源是涉及地下深处的水和岩石的地质机制。

如果这就是故事的全部，事情就会很容易。然而，SAM发现甲烷在盖尔陨石坑中以意想不到的方式表现。它在晚上出现，在白天消失。它随季节波动，有时会飙升至比平时高40倍的水平。令人惊讶的是，甲烷也没有在大气中积累：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。

“这是一个有很多情节转折的故事，”位于南加州的美国国家航空航天局喷气推进实验室的好奇号项目科学家阿什温·瓦萨瓦达说，该实验室领导着好奇号的任务。

甲烷让火星科学家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奇怪，并且只在盖尔陨石坑中被检测到。美国国家航空航天局的一个研究小组最近分享了一个有趣的建议。

该组织在3月份发表在《地球物理研究杂志：行星》上的一篇论文中提出，甲烷——无论是如何产生的——都可以被密封在火星风化层中可能形成的固化盐下，而风化层是由破碎的岩石和灰尘制成的“土壤”。当温度在温暖的季节或一天中的时间上升，削弱密封时，甲烷可能会渗出。

在马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的行星科学家Alexander Pavlov的领导下，研究人员提出，当密封件在行驶在其上的小型SUV大小的火星车的压力下破裂时，气体也会喷出。巴甫洛夫说，该团队的假设可能有助于解释为什么只有在盖尔陨石坑中检测到甲烷，因为盖尔陨石坑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，美国国家航空航天局的毅力号火星车正在那里工作，尽管该火星车没有甲烷探测仪器。）

巴甫洛夫将这一假设的起源追溯到他在2017年领导的一项无关实验，该实验涉及在充满盐的模拟火星永久冻土（冻土）中生长微生物，就像大部分火星永久冻土一样。

巴甫洛夫和他的同事测试了生活在地球上咸水湖和其他富盐环境中的亲卤细菌是否能在火星上的类似条件下茁壮成长。

他说，微生物生长的结果被证明是不确定的，但研究人员注意到了一些意想不到的事情：当咸冰升华时，表层土壤形成了盐皮，从固体变成气体，并留下了盐。

火星和地球上的永久冻土

巴甫洛夫说：“我们当时没有多想。”但他记得2019年的地壳，当时SAM的可调谐激光光谱仪检测到了一次无人能解释的甲烷爆发。

巴甫洛夫说：“就在那时，它在我的脑海中响起。”。就在那时，他和一个团队开始测试可能形成和破裂硬化盐封的条件。

巴甫洛夫的团队测试了五个永久冻土样本，这些样本中注入了一种名为高氯酸盐的盐，这种盐在火星上广泛存在。（今天盖尔陨石坑中可能没有永久冻土，但这些海豹可能早在盖尔更冷、更冰的时候就形成了。）科学家们将每个样本暴露在NASA戈达德的火星模拟室内不同的温度和空气压力下。

巴甫洛夫的团队定期在土壤样本下方注入甲烷类似物氖，并测量其下方和上方的气体压力。样本下方的压力越高，意味着气体被捕获。最终，在类似火星的条件下，只在高氯酸盐浓度为5%至10%的样本中，海豹在3至13天内形成。



这张照片是从火星模拟舱中取出的另一个模拟火星“土壤”样本。表面用一层坚硬的盐皮封住。Alexander Pavlov和他的团队发现，只有当样本的高氯酸盐浓度为5%至10%时，样本在类似火星的条件下停留3至13天后，才会形成密封。样品被金属镐刮伤的中央颜色较浅。浅色表示顶层下面的土壤更干燥，一旦样品从模拟室中取出，土壤就会吸收空气中的水分，变成棕色。图像：美国国家航空航天局/亚历山大·帕夫洛夫

这比“好奇号”在盖尔陨石坑测得的盐浓度高得多。但那里的风化层富含一种叫做硫酸盐的不同类型的盐类矿物，巴甫洛夫的团队接下来想测试这种矿物，看看它们是否也能形成海豹。

提高我们对火星上甲烷生成和破坏过程的理解是2022年美国国家航空航天局行星任务高级评审的一项关键建议，巴甫洛夫等理论工作对这项工作至关重要。然而，科学家们表示，他们还需要更一致的甲烷测量结果。

SAM一年只闻几次甲烷，因为它忙于从地表钻探样本并分析其化学成分。

“甲烷实验是资源密集型的，所以当我们决定进行这些实验时，我们必须非常有策略性，”Goddard的Charles Malespin说，他是SAM的首席研究员。

然而，科学家们表示，例如，要测试甲烷水平多久飙升一次，就需要新一代的表面仪器来连续测量火星上许多地方的甲烷。

瓦萨瓦达说：“甲烷的一些工作将不得不留给未来的地面航天器，他们将更加专注于回答这些具体问题。”。