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評估紅色星球宜居性:火星大氣中的同位素奧秘

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火星,這顆被譽(yù)為“紅色星球”的行星,自古以來一直吸引著科學(xué)家和太空愛好者的興趣。它與地球的相似性以及其表面可能存在的過去甚至現(xiàn)在的生命引發(fā)了許多機(jī)器人探測任務(wù),以揭示其背后的奧秘。其中一項(xiàng)重要任務(wù),ExoMars Trace Gas Orbiter(火星痕跡氣體軌道飛行器),最近為我們提供了有關(guān)火星大氣成分和表面有機(jī)物來源的重要見解。

1. 多方機(jī)器人探測揭示火星之謎

此刻,有11項(xiàng)機(jī)器人探測任務(wù)正在火星上展開探索,包括軌道器、著陸器、探測車以及一架空中飛行器(“毅力號”火星車)。與它們的前輩一樣,這些任務(wù)致力于研究火星的大氣、表面和地下,以了解其過去和進(jìn)化,包括其從一個(gè)曾經(jīng)溫暖潮濕的環(huán)境演變?yōu)槿缃窈洹m土飛揚(yáng)且極度干燥的星球的過程。此外,這些任務(wù)還在尋找火星上過去可能存在的生命跡象,甚至是是否仍然存在生命的線索。

2.洞悉火星氣體成分奧秘

其中一個(gè)特別引人注目的問題是火星的大氣,主要由二氧化碳(CO2)組成,而且相對富含碳-13(13C),即“重碳”的同位素。多年來,科學(xué)家們一直推測這種同位素的比例與表面的有機(jī)物可能有關(guān)(這是生物過程的跡象?。?。但在分析歐洲航天局(ESA)的ExoMars Trace Gas Orbiter(TGO)任務(wù)的數(shù)據(jù)后,由英國開放大學(xué)(The Open University)領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)確定這些有機(jī)物可能是“非生物起源”的(即非生物性質(zhì))。 該研究由英國開放大學(xué)的博士后研究員胡安·阿爾代(Juan Alday)領(lǐng)導(dǎo),并由其大氣研究與表面勘探小組的成員參與。他們還得到了俄羅斯航天研究所(IKI)、法國巴黎綜合理工大學(xué)的大氣、介質(zhì)和空間觀測實(shí)驗(yàn)室(LATMOS)以及英國牛津大學(xué)大氣、海洋和行星物理學(xué)小組(AOPP)的支持。他們的研究成果發(fā)表在題為“火星大氣中重碳氧同位素的光化學(xué)消耗”("Photochemical depletion of heavy CO isotopes in the Martian atmosphere")的論文中,該論文最近刊登在《自然天文》(Nature Astronomy)雜志上。

圖1.美國航空航天局(NASA)火星探測器“毅力號”已成功降落在火星表面并拍攝回傳首批火星圖像,成為NASA第5個(gè)成功登陸的火星車(圖片來源:NASA)

3. 同位素地球化學(xué)手段探測火星大氣

對于火星大氣中的氣體,二氧化碳約占96%,而一氧化碳的含量很少(0.0557%)。這些氣體中重碳同位素的相對豐度(在地球大氣中僅占碳同位素的1.1%)被歸因于“輕碳”(12C)在幾十億年內(nèi)優(yōu)先逃逸至太空。這部分基于美國國家航空航天局(NASA)的“好奇號”探測車最近的測量數(shù)據(jù),揭示了表面有機(jī)物(甲烷氣體)中13C的消耗。

通過分析這種同位素富集,科學(xué)家希望更深入了解上層和下層大氣之間“同位素比率”演變的大氣過程。由于大氣中的一氧化碳(CO)和有機(jī)分子共享相同的13C貧化同位素標(biāo)記,科學(xué)家希望從中找到有關(guān)有機(jī)過程(可能是生命跡象的指示)是否發(fā)揮了作用的線索。為了開展研究,阿爾代博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)檢查了TGO大氣化學(xué)套件(ACS)獲取的CO垂直剖面數(shù)據(jù)。

該套件由三個(gè)紅外Echelle光譜儀組成,涵蓋近紅外(NIR)、中紅外(MIR)和遠(yuǎn)紅外(TIRVIM)信道。自2016年以來,這些儀器已從火星大氣中收集光譜數(shù)據(jù),利用吸收線來指示不同化學(xué)元素的存在,以確定其組成。然后,團(tuán)隊(duì)將這些數(shù)據(jù)與光化學(xué)模型相結(jié)合,該模型預(yù)測由于與太陽輻射的相互作用,大氣中CO分子中的碳和氧的消耗情況。他們的研究結(jié)果表明(與之前的想法相反),火星大氣中的一氧化碳(CO)中的重碳豐度較低,而輕碳則豐富。正如阿爾代博士在英國開放大學(xué)新聞發(fā)布會(huì)上解釋的那樣:“理解為什么CO中的13C較少的關(guān)鍵在于CO2和CO之間的化學(xué)關(guān)系。當(dāng)太陽光將CO2分子分解成CO時(shí),12CO2分子比13CO2分子更有效地被破壞,導(dǎo)致13C在CO中的消耗長期存在?!?/p>

圖2. 火星大氣中有95%是二氧化碳(CO2),只有0.14%的氧氣(O2)含量(圖片來源:NASA)

這些發(fā)現(xiàn)有助于解決關(guān)于火星表面有機(jī)物是由生物過程還是非生物過程形成的長期爭議。盡管火星大氣中一氧化碳的含量微乎其微,但它們對于我們理解火星大氣和氣候如何隨時(shí)間演變具有重要意義。一方面,它們可以揭示過去曾有流動(dòng)和靜止水體存在的條件。另一方面,盡管這些發(fā)現(xiàn)可能讓人感到失望,但它們有助于進(jìn)一步尋找火星上的過去生命。阿爾代博士表示,最終目標(biāo)是確定是否在星球上存在適于生命的條件,以及它們是否持續(xù)時(shí)間足夠長,以便生命出現(xiàn):“我們不知道早期火星的大氣是什么樣子,也不知道什么條件允許液態(tài)水在表面流動(dòng)?;鹦谴髿庵械奶纪凰乜梢詭椭覀児烙?jì)過去大氣中CO2的含量。ExoMars TGO的新測量結(jié)果表明,逃逸至太空的CO2比之前的估計(jì)要少,從而為火星早期大氣的組成提供了新的限制?!?/p>

這項(xiàng)研究得以實(shí)現(xiàn),得益于英國航天局的支持,該機(jī)構(gòu)為ACS光譜儀和大氣研究與表面勘探小組的研究提供了資金。TGO是更大的ExoMars計(jì)劃的一部分,該計(jì)劃是歐洲航天局(ESA)與俄羅斯航天局羅斯科斯莫斯(Roscosmos)之間的合作項(xiàng)目。該計(jì)劃將在未來幾年內(nèi)將“羅莎琳德·富蘭克林”探測車送往火星,進(jìn)一步協(xié)助持續(xù)尋找過去(甚至可能是現(xiàn)在)火星上的生命。(End)

原文:Alday, J., Trokhimovskiy, A., Patel, M. R., Fedorova, A. A., Lefèvre, F., Montmessin, F., ... Shakun, A. (2023). Photochemical depletion of heavy CO isotopes in the Martian atmosphere. Nature Astronomy, 7, 867-876. 鏈接:https://www.nature.com/articles/s41550-023-01974-2

文章根據(jù)以下內(nèi)容翻譯整理:

ExoMars Trace Gas Orbiter analyses the martian atmosphere. Credit: ESA/ATG medialab,POSTED ON MAY 17, 2023 BY MATT WILLIAMS。https://www.universetoday.com/161402/life-probably-didnt-have-a-hand-in-creating-organic-deposits-on-the-surface-of-mars/ 。

評論
演繹無限精彩
大學(xué)士級
這項(xiàng)研究分析,有助于科學(xué)家更深入了解火星大氣中碳同位素特征,對于探秘火星歷史和有機(jī)物起源,更好地評估火星的宜居性具有重要意義。
2023-12-18
王基國
少師級
火星是一個(gè)充滿神秘和未知的星球,表面充滿了各種地貌特征,表明著火星的歷史和演化過程。未來我們還將繼續(xù)探索火星,希望能夠更深入地了解這個(gè)神秘的星球。
2023-12-18
耿培國
大學(xué)士級
新研究有助于改進(jìn)對火星古代大氣的估計(jì),從而更好地評估火星的宜居性。
2023-12-18