在2019年5月17日，也就是任務的第2410個火星日，NASA的好奇號火星車利用黑白導航相機（Navigation Cameras，Navcams）拍下了這些動態浮動的雲。
圖片來源：NASA/JPL-Caltech
這些雲可能由水和冰構成，距離火星表面大約19英裡（31公里）；它們也是一種“夜光”雲，這意味著它們距離星球表面異常之高，高到即使當下方的火星表面處於黑夜之中時，它們仍能被太陽的光芒照亮。科學家能觀察到來自太陽的光線在何時離開這些雲層，從而利用時間信息推斷它們的高度。
在人類太空探索的歷史上，這還是科學家首次測量火星表面蓋爾環形山（Gale Crater）正上方大氣成分的季節性變化。測量的結果就是，他們發現了一種令人困惑的氣體成分：氧氣，這種地球上許多生物賴以生存的呼吸氣體，在火星上含量的季節性變化，還無法通過任何已知的化學過程進行解釋。
在過去的3個火星年（Martian year，一個火星年由22個月構成，包含668.59個火星日，大約是地球年的1.88倍），也就是大約6個地球年中，火星樣本分析儀（Sample Analysis at Mars，SAM）對蓋爾環形山上方的大氣進行了吸入式采樣，並進一步分析了其中的化學成分。火星樣本分析儀位於美國航空航天局（NASA）好奇號（Curiosity）火星探測車的腹部位置，就像是一個便攜式化學實驗室，分析儀得出的結果確認了火星表面的大氣成分：95％的二氧化碳（CO2）、2.6％的氮氣（N2）、1.9％的氬氣（Ar）、0.16％的氧氣（O2）， 以及0.06％的一氧化碳（CO）。分析結果還揭示了另一個重要發現，那就是在一個火星年中，火星大氣中各種氣體分子隨著氣壓變化的混合和循環模式。這種季節性氣體成分變化，源於冬季時二氧化碳氣體在兩極的凍結降低了兩極區域的氣壓，為了保持整體的氣壓平衡，火星大氣會進行重新分配，這將導致整個星球表面的氣壓降低。在春季和夏季，二氧化碳因溫度上升變回氣態時，又會混合進入火星大氣升高整體氣壓。
在這樣的背景下，科學家發現氮氣和氬氣的含量遵循了可預測的季節性模式：伴隨著二氧化碳在大氣中的全年含量變化，氮氣和氬氣在蓋爾環形山上方的濃度也相應呈現出上升和下降的趨勢。科學家理所應當地認為氧氣的含量變化也會如此，但事實卻沒有那麽簡單，在整個春季和夏季氧氣都反其道而行之，含量最多時相比冬季竟然增加了30％，隨後在秋季又會回降到用已知的化學方法所預測的濃度水準。儘管每一年大氣中增添的氧氣含量不盡相同，但這種含量增高的變化模式在每個春季都會重復出現，這意味著，火星上存在著某種物質在持續地生產氧氣，然後又消耗掉它。
蓋爾環形山上方大氣中氧氣含量的季節性變化
圖片來源：梅麗莎•特雷納/丹•加拉格爾（Dan Gallagher）/NASA戈達德航天飛行中心
圖片漢化：哇喳/NASA愛好者
密歇根大學安娜堡分校（University of Michigan in Ann Arbor）的氣候與空間科學教授蘇希爾•阿特雷亞（Sushil Atreya）表示：“第一次看到這個結果時，我們根本無法相信。”阿特雷亞和其他研究人員一同，將這一結果總結成了一篇論文，於11月12日發表在了《地球物理學研究雜誌：行星》（Journal of Geophysical Research: Planets）上。
科學家剛一發現氧氣謎團，致力於火星研究的專家就開始嘗試用各種已有的信息和知識去解釋這個現象。首先，對火星樣本分析儀中用於測量氣體含量的四極杆質譜儀（Quadrupole Mass Spectrometer），火星科學家進行了再三的準確性檢查，結果表明儀器狀態良好，沒有任何問題。於是，他們又考慮了另一種可能性：當CO2或水（H2O）這兩種分子在大氣中分解、分子鍵斷開時，可能會釋放出氧氣，從而導致大氣中氧含量的短暫上升。但是，要產生探測到的這些額外的氧氣，需要比火星現有含量高出五倍的水，而在這麽短的時間內，二氧化碳的分解速度根本滿足不了相應的氧氣增加。除此之外，氧氣減少又是怎麽回事呢？來自太陽的異塵餘生能將氧氣分子分解成兩個原子然後吹向太空嗎？科學家得出的結論是：不能，因為氧氣如果要通過這樣的過程消失掉，至少需要10年的時間。
“我們正艱難地找尋這種現象可能的解釋，”領導這項研究的梅麗莎•特雷納（Melissa Trainer）表示，“氧氣在每個季節的含量都不具備完全可重複的性質，這讓我們認為氧氣含量的變化與大氣動力學無關。它只能來自某些產氧和耗氧的化學反應，但是我們尚且無法解釋。”特雷納是一名行星科學家，來自NASA位於馬裡蘭州格林貝爾特的戈達德航天飛行中心（Goddard Space Flight Center）。
對於研究火星的科學家來說，氧氣的這種異象與甲烷之謎如出一轍。在蓋爾環形山表面的大氣之中，甲烷以極為微小的含量陰魂不散地停留駐足，平均濃度只有0.00000004％。即使是火星上現有的最靈敏的儀器，也很難能檢測的到，不過，它還是被火星樣本分析儀的可調諧雷射光譜儀（Tunable Laser Spectrometer，TLS）探測到了，測得的結果顯示，儘管甲烷含量會隨季節上升和下降，但由於某種莫名其妙的原因，甲烷的豐度在夏季增高了大約60％。（實際上，除了這一點讓科學家困惑不已，火星上甲烷的含量還會隨機地急劇增加，研究人員正在努力找出其中緣由。）
有了新的氧氣含量信息在手，特雷納的團隊開始思考：是否存在一種與導致甲烷自然季節性變化相似的化學過程，正好引發了氧氣含量的這種季節性波動呢？因為至少在某些偶然的時間段裡，甲烷和氧氣的波動似乎具有協同性。
“在一個火星年的大部分時間裡，我們開始注意到甲烷和氧氣之間這種神奇而引人遐想的聯繫，”阿特雷亞說道，“我認為這裡面應該另有玄機，只是我還不知道具體是啥，目前為止也還沒人知道。”
蓋爾環形山上方大氣中氧氣與甲烷含量的季節性變化
圖片來源：梅麗莎•特雷納/丹•加拉格爾/NASA戈達德航天飛行中心
圖片漢化：哇喳/NASA愛好者
氧氣和甲烷的產生，都既可以通過生物學方式（例如微生物相關的反應）又可以通過非生物學的方式（例如與水和岩石相關的化學過程）來完成。儘管現在還沒有任何令人信服的證據表明火星上存在生物活性，但科學家還是將所有的可能性都納入了考慮範圍。好奇號上並沒有這樣一種分析工具，來確切地判斷火星上的甲烷或氧氣究竟是來源於生物學過程還是非生物學的地質過程，但是另一方面，科學家對非生物學的解釋給予了更高的期望，並且正在奮力地想要弄明白到底是怎麽回事。
1976年，海盜1號火星探測器著陸點處的日落景象
圖片來源：NASA/JPL
特雷納團隊認為，春季時額外的氧氣增量可能來源於火星土壤，畢竟，眾所周知的是它富含諸如過氧化氫和高氯酸鹽這一類的化合物，容易分解產生氧氣。在海盜號（Viking）兩個火星探測器上進行的一項實驗表明：在幾十年以前，火星土壤中的氧氣會因為溫度和濕度的升高而釋放。然而，這項實驗是在與火星春季環境完全不同的條件下進行的，並且在其他問題存在的同時，也無法解釋氧氣下降的原因。目前，其他可能的解釋也不能完全說得通，例如研究人員在論文中提出的：火星土壤中的高能異塵餘生可能導致了額外氧氣的生成，從而混入大氣裡；但是另一方面，要想得到哪怕只是一個春季裡測得的氧氣增量，也得花上100萬年的時間，才能在火星土壤中積累到足夠的氧氣。
“雖然目前而言，我們還沒法兒提出任何一種能夠產生所需氧氣增量的化學過程，但是我們認為，它一定是表層土壤中隨季節變化的某種過程，因為大氣中根本沒有足夠的氧原子可以用來來引發我們所觀測到的氧含量波動。”論文的另一位共同作者、來自馬裡蘭大學大學城分校（University of Maryland in College Park）的助理研究員蒂莫西•麥康諾奇（Timothy McConnochie）表示。
在此前的火星探測器中，唯一擁有能夠檢測火星表面附近大氣成分儀器的，就是在1976年登陸火星的兩架NASA海盜號火星探測器了。然而遺憾的是，海盜號實驗隻持續了短短幾個火星日，沒有辦法揭示不同氣體的季節性變化模式，新的火星樣本分析儀則成為了第一個進行這項測量的儀器。火星樣本分析儀的研究團隊將繼續測量火星大氣中的氣體成分，讓科學家能夠收集到每個季節更詳細的數據。同時，特雷納和她的團隊希望其他火星科學家能夠揭開氧氣變化之謎。
“這麽多年以來，這還是我們第一次看到這種有趣的現象。我們並不完全明白其中的奧秘，”特雷納說道，“對我來說，這是一個面向所有對此感興趣的聰明人的公開感召：你會有怎樣的絕妙解釋呢？”
參考來源：
[1] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/with-mars-methane-mystery-unsolved-curiosity-serves-scientists-a-new-one-oxygen/
[2] https://mars.nasa.gov/msl/spacecraft/instruments/sam/
[3] https://mars.nasa.gov/msl/home/
[4]https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JE006175
[5] https://www.nasa.gov/feature/jpl/curiosity-detects-unusually-high-methane-levels
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