由欧洲航天局 该图显示了由欧空局的火星外示踪气体轨道飞行器(TGO)上的大气化学套件和平号仪器进行的测量示例，其特征是二氧化碳(CO2)和臭氧(O3)的光谱特征
底部面板显示数据(蓝色)和最合适的型号(橙色)
上图显示了该光谱范围内各种不同气体的模型贡献
最深的线条来自水蒸气(浅蓝色)
最强的O3特征(绿色)在右侧，明显的CO2线(灰色)出现在左侧
尽管在TGO的数据中没有观察到甲烷，但在模型的贡献中也显示了强甲烷特征(橙色)的位置
信用:K
奥尔森等人
(2020) 欧空局的火星外示踪气体轨道飞行器在火星上发现了新的气体信号
这些解开了关于火星大气的新秘密，将能够更准确地确定火星上是否存在甲烷，一种与生物或地质活动有关的气体
示踪气体轨道飞行器(TGO)已经从轨道上研究这颗红色行星两年多了
该任务旨在了解构成火星大气的气体混合物，特别关注围绕那里甲烷存在的神秘
与此同时，根据敏感的大气化学套件(ACS)对火星一整年的观察，该航天器现在已经发现了臭氧(O3)和二氧化碳(CO2)的前所未有的特征。
这项发现发表在《天文学和天体物理学》上的两篇新论文中，一篇由英国牛津大学的凯文·奥尔森领导，另一篇由俄罗斯莫斯科俄罗斯科学院空间研究所的亚历山大·特罗希莫夫斯基领导
“这些特征既令人费解又令人惊讶，”凯文说
“它们位于准确的波长范围内，我们期望在这里看到最强的甲烷迹象
在这一发现之前，CO2的特征是完全未知的，这是第一次在火星上的这部分红外波长范围内发现臭氧
" 火星大气主要由二氧化碳组成，科学家通过观察二氧化碳来测量温度、追踪季节、探索空气循环等等
臭氧——在火星和地球的高层大气中形成一层——有助于保持大气化学的稳定
像欧空局的火星快车这样的航天器在火星上已经观察到了二氧化碳和臭氧，但是TGO号上的ACS仪器的敏锐能够揭示这些气体如何与光相互作用的新细节
在TGO搜寻甲烷的范围内观察臭氧是完全出乎意料的结果
甲烷在火星上是如何产生和毁灭的，这是理解火星上甲烷的各种探测和未探测的一个重要问题，它们在时间和位置上都有差异
尽管甲烷在大气总量中只占很小一部分，但它却是地球当前活动状态的关键线索
这幅图描绘了甲烷可能从大气中添加或移除的一些可能方式
一个令人兴奋的可能性是甲烷是由微生物产生的
如果被埋在地下，这种气体可能被储存在晶格结构的冰中，称为笼形物，并在很晚的时候释放到大气中
甲烷也可以通过二氧化碳和氢气之间的反应产生(而氢气又可以通过水和富含橄榄石的岩石的反应产生)，通过深部岩浆脱气或通过古代有机物的热降解产生
同样，这些物质可能储存在地下，并通过地表的裂缝排出气体
甲烷也可能被困在浅冰层中，如季节性冻土
紫外线辐射既能产生甲烷——通过与已经在表面的其他分子或有机物质的反应，如落在火星上的彗星尘埃——又能分解甲烷
高层大气(60公里以上)中的紫外线反应和低层大气(60公里以下)中的氧化反应将甲烷转化为二氧化碳、氢气和水蒸气，导致分子寿命约为300年
甲烷也可以通过大气循环在地球上快速分布，稀释其信号，并使识别单个来源变得困难
考虑到大气过程中分子的寿命，今天的任何探测都暗示它是在相对较晚的时候释放的
但是已经提出了其他的产生和破坏方法，这些方法解释了更局部的探测，并且还允许更快地从更靠近行星表面的大气中去除甲烷
在10公里以下的低层大气中有大量的尘埃，它们可能会发挥作用，并与地表直接相互作用
例如，有一种观点认为甲烷在局部区域通过地表扩散或“渗透”，并被吸附回地表浮土中
另一个想法是，侵蚀地球表面的强风会让甲烷与尘埃颗粒快速反应，从而去除甲烷的特征
季节性沙尘暴和尘暴也会加速这一过程
在火星上继续探索——从轨道和表面进行探索——以及实验室实验和模拟，将有助于科学家更好地理解产生和破坏甲烷的不同过程
信用:欧洲航天局 科学家之前已经绘制了火星臭氧随高度变化的地图
然而，到目前为止，这主要是通过依靠紫外线中气体特征的方法实现的，这种技术只允许在高海拔(地表以上20公里)进行测量
美国国家科学院的新结果表明，也可以在红外波段绘制火星臭氧图，因此可以在较低的高度探测它的行为，从而更详细地了解臭氧在地球气候中的作用
揭开甲烷之谜 TGO的主要目标之一是探索甲烷
迄今为止，火星甲烷的迹象——暂时由包括欧空局轨道火星快车和美国国家航空航天局表面的好奇号火星车在内的任务探测到——是多变的，有些神秘
虽然也是由地质过程产生的，但地球上的大部分甲烷是由生命产生的，从细菌到牲畜和人类活动
因此，在其他星球上探测甲烷非常令人兴奋
考虑到已知这种气体会在大约400年后分解，这一点尤其正确，这意味着任何存在的甲烷一定是在相对较近的过去产生或释放的
亚历山大·特罗希莫夫斯基说:“在我们寻找甲烷的地方发现一种无法预见的二氧化碳信号是很重要的。”
“这个信号以前无法解释，因此可能在火星上探测到少量甲烷的过程中发挥了作用
" 亚历山大、凯文和他的同事分析的观测结果大多是在不同的时间进行的，以支持对火星甲烷的探测
此外，TGO的数据不能解释大量的甲烷，只能解释少量的甲烷——因此，目前两次任务之间没有直接的分歧
“事实上，我们正在积极努力与其他任务协调测量，”凯文澄清说
“这一发现并没有对以前的任何说法提出质疑，而是激励所有团队更仔细地观察——我们知道得越多，我们就能更深入、更准确地探索火星的大气层
" 这张图显示了一种新的二氧化碳光谱特征，这种特征以前从未在实验室中观察到，是由欧空局的火星外示踪气体轨道飞行器(TGO)上的大气化学套件(ACS) MIR仪器在火星大气中发现的
该图显示了16O12C16O分子的磁偶极吸收带的全部范围(CO2的各种“等拓扑”之一)
上图显示了美国化学协会的红外光谱(以黑色显示)以及模拟的二氧化碳和H2O的贡献(以蓝色显示)；该模型基于HITRAN 2016数据库
下图显示了数据和模型或残差之间的差异，详细揭示了吸收带的结构
谱线的计算位置用箭头标出，不同的颜色对应于吸收带的不同“分支”(红色代表P分支，绿色代表Q分支，蓝色代表R分支)
学分:A
Trokhimovskiy等人
(2020) 意识到外星火星的潜力 除了甲烷，这些发现强调了我们将从火星探索计划中学到多少
“这些发现使我们能够更全面地了解我们的行星邻居，”亚历山大补充道
“臭氧和二氧化碳在火星大气中很重要
如果不恰当地解释这些气体，我们就有可能错误地描述我们所看到的现象或特性
" 此外，在火星上令人惊讶地发现了以前从未在实验室中观察到的新的CO2带，这为那些研究分子如何相互作用以及如何与光相互作用的人提供了令人兴奋的见解，并在太空中寻找这些相互作用的独特化学指纹
亚历山大说:“这两项研究一起朝着揭示火星的真实特征迈出了重要的一步:走向一个新的准确性和理解水平。”
比较火星和地球的大气
信用:欧洲航天局 寻找生命的成功合作 顾名思义，TGO旨在描述火星大气中任何可能由地球上活跃的地质或生物过程产生的微量气体的特征，并确定它们的来源
外火星计划包括两个任务:TGO，于2016年发射，罗莎琳德·弗兰克林火星车和卡扎克着陆平台将于2022年发射
这些仪器将作为火星表面大气探测系统的补充，从一个不同的角度检查火星的大气，并分享火星外计划的核心目标:寻找红色星球上过去或现在生命的迹象
欧空局TGO项目科学家哈坎·斯韦德姆说:“这些发现是欧洲和俄罗斯科学家作为外火星的一部分正在进行的巨大成功合作的直接结果。”
“他们为未来的光谱观测设定了新的标准，并将帮助我们描绘出火星大气特性的更完整的画面——包括在哪里和什么时候可能会发现甲烷，这仍然是火星探索中的一个关键问题
" “此外，这些发现将促使我们对迄今为止收集到的所有相关数据进行彻底分析，而且以这种方式进行新发现的前景一如既往地令人兴奋
太阳系外火星示踪气体轨道飞行器揭示的每一条信息都标志着对火星更准确理解的进步，并使我们离揭开火星的神秘面纱又近了一步
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