評估紅色星球宜居性：火星大氣中的同位素奧秘

火星，這顆被譽為“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)了許多機器人探測任務(wù)，以揭示其背后的奧秘。其中一項重要任務(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物來源的重要見解。

1. 多方機器人探測揭示火星之謎

此刻，有11項機器人探測任務(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，以了解其過去和進化，包括其從一個曾經(jīng)溫暖潮濕的環(huán)境演變?yōu)槿缃窈?、塵土飛揚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物可能有關(guān)（這是生物過程的跡象?。５诜治鰵W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)的國際團隊確定這些有機物可能是“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)和空間觀測實驗室（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)的團隊檢查了TGO大氣化學(xué)套件（ACS）獲取的CO垂直剖面數(shù)據(jù)。

該套件由三個紅外Echelle光譜儀組成，涵蓋近紅外（NIR）、中紅外（MIR）和遠紅外（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，團隊將這些數(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，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間演變具有重要意義。一方面，它們可以揭示過去曾有流動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?；鹦谴髿庵械奶纪凰乜梢詭椭覀児烙嬤^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比之前的估計要少，從而為火星早期大氣的組成提供了新的限制?！?/p>

這項研究得以實現(xiàn)，得益于英國航天局的支持，該機構(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計劃的一部分，該計劃是歐洲航天局（ESA）與俄羅斯航天局羅斯科斯莫斯（Roscosmos）之間的合作項目。該計劃將在未來幾年內(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/ 。