ExoMars轨道飞行器在火星大气中发现了“令人困惑和惊讶”的新气体特征

火星外火星追踪气体轨道器

艺术家对ExoMars 2016火星微量气体轨道器的印象。信贷:ESA / ATG媒体实验室

欧洲航天局的外火星微量气体轨道器在火星发现了新的气体信号火星.这解开了火星大气的新秘密,并将使我们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。

Trace Gas Orbiter (TGO)已经在轨道上研究这颗红色行星两年多了。该任务旨在了解火星大气的混合气体,特别关注甲烷存在的谜团。

与此同时,该航天器现在已经发现了从未见过的臭氧(O3.)和二氧化碳(CO2),这是根据其敏感的大气化学套件(ACS)对整个火星年的观测得出的。yabovip2021这一发现发表在两篇新发表的论文中天文学和天体物理学,其中一位是由英国《金融时报》的凯文·奥尔森(Kevin Olsen)领导的牛津大学另一项研究由位于俄罗斯莫斯科的俄罗斯科学院空间研究所的亚历山大·特罗基莫夫斯基领导。

“这些特征令人困惑和惊讶,”凯文说。

“它们位于我们预期能看到甲烷最强迹象的精确波长范围内。在这个发现之前,CO2这是火星上首次在红外波长范围内发现臭氧。”

火星大气以一氧化碳为主2科学家通过观察它们来测量温度、追踪季节、探索空气循环等等。臭氧——在火星和地球的上层大气中都形成了一层——有助于保持大气化学的稳定。yabovip2021这两个公司2欧洲航天局的火星快车号(Mars Express)等航天器已经在火星上观测到了臭氧,但TGO上ACS仪器的敏锐灵敏度能够揭示这些气体与光相互作用的新细节。

光谱特征二氧化碳臭氧火星

这张图表显示了ESA的ExoMars微量气体轨道器(TGO)上的大气化学套件(ACS) MIR仪器的测量示例,具有二氧化碳(CO2)和臭氧(O3yabovip2021)的光谱特征。
底部面板显示数据(蓝色)和最佳拟合模型(橙色)。上面的面板显示了这个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)在右边,明显的CO2线(灰色)出现在左边。虽然甲烷在TGO数据中没有观测到,但在模型贡献中也显示了强甲烷特征的位置(橙色)。资料来源:K.奥尔森等人(2020年)

在TGO搜寻甲烷的范围内观察臭氧是完全出乎意料的结果。

以前,科学家已经绘制出火星臭氧随海拔高度变化的地图。然而,到目前为止,这主要是通过依赖气体在紫外线中的特征的方法来实现的,这种技术只允许在高海拔地区(超过地表20公里)进行测量。

ACS的新结果表明,也可以用红外线来绘制火星臭氧的地图,因此它的行为可以在低海拔地区进行探测,以建立臭氧在地球气候中作用的更详细的视图。

火星甲烷的主要测量

这张图表总结了火星甲烷的重大测量尝试。地球上的望远镜、欧洲航天局(ESA)从火星轨道发射的“火星快车”(Mars Express)以及美国宇航局(NASA)位于盖尔陨石坑(Gale Crater)表面的“好奇号”(Curiosity)都报告了甲烷的存在。他们还报告说,他们的测量尝试没有或很少检测到甲烷。最近,欧洲航天局(esa)和俄罗斯航天局(roscosmos)的ExoMars微量气体轨道器(ExoMars Trace Gas Orbiter)报告称甲烷含量不存在,并提供了一个非常低的上限。来源:欧洲航天局

揭开甲烷之谜

TGO的主要目标之一是勘探甲烷。到目前为止,火星甲烷的迹象——初步侦察任务,包括欧洲航天局的火星快车从轨道和美国国家航空航天局火星表面的“好奇号”漫游者——变化无常,有些神秘。

创造毁灭甲烷火星

这张图描述了一些从大气中添加或去除甲烷的可能方法。甲烷是如何在火星上产生和消灭的,这是一个重要的问题,因为在火星上探测到和没有探测到甲烷,时间和地点都不同。尽管只占大气总量的很小一部分,但甲烷尤其掌握着地球当前活动状态的关键线索。来源:欧洲航天局

虽然也由地质作用产生,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,在其他行星上发现甲烷非常令人兴奋。考虑到已知这种气体在大约400年的时间内就会分解,这就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。

“发现一个不可预见的公司2亚历山大·特罗基莫夫斯基说。“这一特征以前无法解释,因此可能在火星上检测到少量甲烷方面发挥了作用。”

亚历山大、凯文和同事们分析的观测结果,大多是在支持火星甲烷探测的不同时间进行的。此外,TGO的数据无法解释大量的甲烷羽流,只能解释少量的甲烷——因此,目前各任务之间没有直接的分歧。

火星上发现二氧化碳光谱特征

这张图表显示了一种新的二氧化碳光谱特征,以前从未在实验室中观察到,它是由欧洲航天局的ExoMars微量气体轨道器(TGO)上的大气化学套件(ACS) MIR仪器在火星大气中发现的。yabovip2021
图中显示了磁偶极子吸收带的全部范围16O12C16O分子(CO的各种“同位素”之一2).
顶部面板显示了ACS MIR光谱(以黑色显示)以及CO的模拟贡献2和H2O(以蓝色表示);该模型基于HITRAN 2016数据库。
底部的面板显示了数据和模型之间的差异,或残差,揭示了吸收带的详细结构。谱线计算位置用箭头标记,不同颜色对应吸收带的不同“分支”(红色表示p分支,绿色表示q分支,蓝色表示r分支)。
资料来源:A. Trokhimovskiy et al. (2020)

“事实上,我们正在积极地与其他任务协调测量,”凯文澄清道。“这一发现并没有反驳之前的任何说法,而是激励了所有团队进行更深入的研究——我们知道的越多,我们就能越深入、越准确地探索火星的大气层。”

认识到ExoMars的潜力

撇开甲烷不谈,这些发现突显出,作为ExoMars项目的结果,我们将对火星了解多少。

“这些发现使我们能够更全面地了解我们的行星邻居,”亚历山大补充说。

比较火星和地球的大气

火星的直径大约是地球的一半,大气稀薄得多,大气体积不到地球的1%。大气成分也明显不同:主要以二氧化碳为基础,而地球的氮和氧丰富。大气层已经进化:火星表面的证据表明火星曾经更温暖、更潮湿。来源:欧洲航天局

“臭氧和有限公司2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看到的现象或特性。”

此外,新CO的惊人发现2火星上的光带是实验室从未观测到的,它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,并为在太空中寻找这些相互作用的独特化学指纹提供了线索。

“这两项研究共同向揭示火星的真实特征迈出了重要的一步:朝着一个新的水平精度和理解,”亚历山大说。

成功合作寻找生命

顾名思义,TGO的目标是确定火星大气中任何可能由火星活跃的地质或生物过程产生的微量气体的特征,并确定其来源。

ExoMars轨道飞行器和漫游者


艺术家对ExoMars 2020漫游者(前景),表面科学平台(背景)和痕量气体轨道器(顶部)的印象。不按比例。信贷:ESA / ATG媒体实验室

ExoMars项目包括两项任务:TGO,该任务于2016年发射,将与罗莎琳德·富兰克林探测器和卡萨克着陆平台一起,定于2022年发射.这些探测器将携带与ACS互补的仪器到火星表面,从不同的角度检查火星的大气层,并共享ExoMars计划的核心目标:在这颗红色星球上寻找过去或现在生命的迹象。

欧空局TGO项目科学家Håkan Svedhem说:“这些发现是欧洲和俄罗斯科学家作为ExoMars的一部分进行的巨大成功和持续合作的直接结果。”

“他们为未来的光谱观测设定了新的标准,并将帮助我们更完整地描绘火星的大气特性——包括何时何地可能发现甲烷,这仍然是火星探测中的一个关键问题。”

“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全面分析,以这种方式进行新发现的前景一如既往地令人兴奋。”ExoMars微量气体轨道器揭示的每一条信息都标志着我们在更准确地了解火星方面取得了进展,并让我们离解开这颗行星挥之不去的谜团又近了一步。”

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引用:

《火星中红外首次探测到臭氧:对甲烷探测的影响》,作者:K. S. Olsen, F. Lefèvre, F. Montmessin, A. Trokhimovskiy, L. Baggio, A. Fedorova, J. Alday, A. Lomakin, D. A. Belyaev, A. Patrakeev, A. Shakun and O. Korablev, 2020年7月27日,天文学和天体物理学
0004 - 6361/202038125 DOI: 10.1051 /

“首次观测到磁偶极子CO2由A. Trokhimovskiy, V. Perevalov, O. Korablev, A. F. Fedorova, K. S. Olsen, J.-L。A. Patrakeev, A. Shakun, F. Montmessin, F. Lefèvre和A. Lukashevskaya, 2020年7月27日,天文学和天体物理学
0004 - 6361/202038134 DOI: 10.1051 /

这些研究利用了ExoMars微量气体轨道器(TGO)上的大气化学套件(ACS)的中红外(MIR)通道,报告了首次观测到的3000-3060厘米yabovip2021-1臭氧(O3.)波段与3300厘米波段的发现-116O12C16O磁偶极子带(两者重叠2900-3300cm-1甲烷ν3.吸收带)。

ExoMars是欧洲航天局和俄罗斯航天局的合作项目。

ACS仪器由位于俄罗斯莫斯科的俄罗斯科学院(RAN)空间研究所(IKI)的首席研究员团队领导,由法国CNRS/LATMOS的共同首席研究员团队和其他欧空局成员国的共同研究员协助。

2的评论关于ExoMars轨道飞行器在火星大气中发现的“令人困惑和惊讶的”新气体特征

  1. 甲烷是太阳系中最丰富的化合物之一。这些气态巨星都是由氢组成的,而且我们现在知道,每年有数百万吨的海水被地幔吸收,在那里它们被还原为氢,氧被金属和半金属氧化带走,留下游离的氢与碳结合成链,然后以石油和天然气的形式重新渗透到地壳中……

  2. 臭氧的存在意味着存在一些自由分子氧,这可能是由于太阳在玛丽安平流层中的紫外线光解分解水蒸气,并将轻氢释放到太空中。这种氧气可能是导致地表沉积物中热液亚铁氧化为赤铁矿的原因,使地球呈现红色。火星的地表水消失了,那么氧气也会消失吗?

    “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看到的现象或特性。”

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