一年多來，一艘 3.5 噸的宇宙飛船一直在火星周圍進行一系列不規則的環繞。現在，經過 1000 次環繞，微量氣體軌道器 (TGO) 已經到達研究火星大氣的理想位置，並進行了首次科學觀測。它準備解決火星科學中最具爭議的謎團之一：為什麼甲烷（一種可能的生命跡象）正在紅色星球上釋放出來。
TGO 是 ExoMars 任務的一部分，該任務是歐洲航天局 (ESA) 和俄羅斯航天局 Roscosmos 之間的合資專案。該軌道器於 2016 年 3 月發射，並於 當年 10 月抵達該行星，是第一艘專門設計用於研究構成該行星寒冷、乾燥大氣層不到 1% 的氣體的飛船，包括甲烷、水蒸氣和臭氧。TGO 於本月初到達其計劃的圓形軌道，並在 4 月 21 日開始收集科學資料之前進行了一系列工程測試。
火星大氣幾乎完全由二氧化碳組成，但研究人員對其其他成分特別感興趣 - 尤其是甲烷。這些微量氣體可能是生物或地質活動的訊號，它們提供了有關該行星氣候歷史的線索。
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氣體來源
科學家們 15 年來一直在使用地球上的望遠鏡、火星軌道器和NASA的好奇號探測器 捕捉火星大氣中甲烷的跡象。隨著氣體證據的積累，關於其起源的爭論也愈演愈烈。密歇根大學安娜堡分校的行星科學家蘇希爾·阿特里亞說：“地球大氣中近 95% 的甲烷來自現在和過去的生物活動。因此，很自然地會問火星上的甲烷是否也具有生物來源。”
火星上存在這種氣體令研究人員感到驚訝，因為大氣中的化學反應應該在幾個世紀內破壞那裡的任何甲烷分子。可測量的甲烷含量表明必須有一個活躍的來源正在補充這種氣體。
好奇號現在經常 檢測到 大氣中平均為 0.5 十億分率 (p.p.b.) 的甲烷背景水平（相比之下，地球的水平約為 1,875 p.p.b.）。但阿特里亞說，火星的濃度會隨著時間的推移而意外地變化。觀測還表明存在濃度為 45 p.p.b. 的 大型羽流，而好奇號檢測到大約 7 p.p.b. 的快速消散的噴發。“我們沒有預料到火星上會有甲烷，除非存在活躍的來源和活躍的匯，否則它不應該是可變的，”加州理工學院帕薩迪納分校的行星科學家貝瑟妮·埃爾曼說。
研究人員提出了幾種可能的來源。這些峰值可能來自地下的 岩石和水之間的化學反應，進入大氣層的富碳隕石，或來自火星表面下儲層的突然釋放。最令人興奮的是，這些峰值可能具有生物起源。“這真是一個謎，”埃爾曼說。
科學有效載荷
TGO 攜帶四個主要的科學儀器，這些儀器將收集資料以建立微量氣體的全球地圖，以前所未有的細節展示它們在行星周圍和隨時間的變化。
軌道器的主要光譜儀 NOMAD 在電磁光譜的紅外、紫外和可見光部分工作。它將能夠從航天器的軌道高度向下穿過大氣層到達地表，距離約為 400 公里。每軌道兩次，當 TGO 處於火星的明暗兩側的邊界時，NOMAD 將能夠穿透行星大氣層並朝向太陽看。這個位置透過允許探測器穿過更大的大氣層部分來提高靈敏度——“比向下看地面高出 30 倍”，NASA戈達德太空飛行中心在馬里蘭州格林貝爾特的行星科學家、NOMAD 的聯合研究員邁克爾·穆瑪說。研究人員應該能夠使用它收集的資料來識別各種氣體的光譜特徵，這些氣體在不同的波長下吸收光線。
航天器的彩色相機 CaSSIS 將構建行星地形的詳細 3D 地圖。如果其他儀器確定了甲烷濃度峰值，研究人員將能夠瀏覽 CaSSIS 的存檔，以查詢大致在同一時間拍攝的影像，以嘗試識別火星表面上可能的來源。“我們正在尋找諸如撞擊坑或岩石滑坡或著陸點或地面上的大裂縫之類的事物——那將非常好，”英國米爾頓凱恩斯開放大學的行星科學家馬尼什·帕特爾說，他致力於 NOMAD 和 CaSSIS 的研究。
埃爾曼說，關於氫及其較重的近親氘在水中如何隨高度和季節變化的比例資料對於理解火星上的水歷史至關重要。穆瑪希望這些資訊將有助於闡明火星上假設的古代水海洋可能發生了什麼——例如，水是否蒸發並從大氣中逸出。
帕特爾說，下一個主要步驟是找出儀器的靈敏度是否如預期的那樣。歐洲空間局在荷蘭諾德維克的歐洲空間研究與技術中心 ExoMars TGO 專案科學家 Håkan Svedhem 說，TGO 的設計目的是檢測至少低至 1 p.p.b. 的微量氣體濃度和低至 0.02 p.p.b. 的甲烷濃度。但靈敏度（團隊應在下個月內瞭解）最終將取決於大氣中的溫度和灰塵水平等因素。“對於團隊來說，這是一個非常令人緊張的時刻——這是八九年工作的結晶，”帕特爾說。歐洲空間局計劃將 TGO 的科學任務執行到 2020 年底，然後該航天器將作為該機構計劃的 ExoMars 探測器的資料中繼站，該探測器應於 2021 年抵達。
在最初的幾個月裡，帕特爾希望能夠繪製出甲烷水平圖，並開始提供研究人員渴望的線索。“關於這一切的爭論已經進行了十多年——它應該回答這個問題，”他說。
本文經許可轉載，並於 2018 年 4 月 23 日首次發表