美研制新仪器欲揭开火星甲烷之谜
时间:2017-12-08

  科学网 - 美国开发新仪器揭开火星甲烷的奥秘

  火星上可能有一个生物甲烷循环

  北京时间1月19日,据美国宇航局太空网报道,自从天文学家在几年前在火星大气层中发现了甲烷以来,他们一直希望能够找出这些气体是否是由生命产生的。现在研究人员正在开发一种新型探测器,以便根据火星的甲烷重量来追踪其来源。

  发现第一个有机化合物

  甲烷是火星上发现的第一个有机化合物,这个发现可能有多重含义。 1月15日,美国科学家宣布对数据进行新的分析,再次表明甲烷可能预示着火星上生物活动的存在。普林斯顿大学的图里斯·奥斯托特在美国说:因为大部分地球的甲烷是由生物产生的。

  新陈代谢过程中产生烷烃的生物会产生这种温室气体。虽然类似的生物可能生活在火星的土壤中,但是火星甲烷也可以通过不需要生命的地质过程来生产。安斯托罗斯和他的同事正在制造光学仪器,以解决火星沼气之谜,这个项目是研究和发展的天体生物学和手段(ASTID)任务概念研究(ASTID)的一部分。

  2003年,科学家们利用地球上的火星望远镜发现了火星甲烷,后来得到了欧洲空间局的火星快车飞船的证实,尽管火星上有很少量的甲烷,但火星每十亿个大气只有10个甲烷到地球上有1,800个甲烷,但显然火星上的甲烷集中在赤道附近,由于这些甲烷云只会在大约一年内扩散,所以火星上甲烷的来源必须非常集中,天然气,安斯塔特说:为了使甲烷在火星上出现,它必须继续产生甲烷,根据安斯塔特的说法,世界上这部分地区产生的甲烷量,比如地球上南极永久冻土产生的甲烷量,地球上四种温室气体之一。

  生命喜欢较轻的同位素

  火星上会发生什么,这么多的甲烷呢?虽然有很多方法来产生沼气,但最终的答案是有机体或非生物来源。高温高压下在地下环境中产生非生物性甲烷。尽管地质过程可以产生甲烷,但一些碳分子,如氢气和二氧化碳,会发生反应并形成甲烷。

  甲烷可以通过火山或裂缝直接进入大气。或者被冰状物质暂时堵塞,在温暖的季节,慢慢地从这些物质中逃逸出来。其中一个主要的选择是从火星产生碳氢化合物的行星利用地球上的氢和二氧化碳分子在酶的帮助下产生甲烷。安斯塔特说:在较低的温度下,酶可以起到和地球上一样的功能,产生更多的甲烷。现在,火星上的生物甲烷生成过程可能仍在进行中。或者很久以前就已经结束了,我们所看到的甲烷可能全部都被储存过了。

  有一种方法可以确定火星的甲烷来源,而不需要从土壤中寻找生命的迹象,这种方法涉及到所有的甲烷不是由一种方法生产的,甲烷的组成以不同的形式存在,这种形式是所谓的同位素,不同的同位素的质量是不一样的,地球化学不是太挑剔,它使用任何一种同位素来产生甲烷,然而,生命喜欢消耗更轻的同位素,Anstorfer说:当与更轻的化合物反应时,酶的过程对于产生烷烃的生物,他们会选择含有氢和碳的分子12.这样,生物甲烷就会比非生物甲烷轻,但令人沮丧的是,火星上仍然有可能存在甲烷的生物。这些所谓的甲烷氧化菌(methanotrophs)对于轻质甲烷是首选,所以它们可能会不断地去除烷烃生产中的生物活性迹象。然而,安斯泰德认为,丰度变化甲烷同位素可能表明火星上存在生物甲烷循环。

  如何找到生物甲烷

  安斯泰莱特说,在正常情况下,有两种方法可以找到甲烷同位素丰度。第一种方法使用质谱仪,利用电磁场分离不同的同位素。尽管在实验室中可以轻易实现,但是对于检测火星甲烷的生物标志足够敏感的光谱仪可能太大而不能携带。另一种选择是使用光谱仪,它可以测量气体吸收光的频率。产生共振频率的同位素是由气体中较轻的分子组成的。

  目前,火星科学实验室计划于2011年推出,届时将搭载光谱仪。该装置可能能够测量火星甲烷的碳同位素比率,但是Anstat说它不能准确地说出火星甲烷是否由有机体产生,因此他和他的同事们正在设计被称为Cavity Ringdown光谱仪的一种特殊的光谱仪,它将比火星科学实验室更敏感地将光谱仪的灵敏度提高1000倍。

  空腔衰荡光谱学(CRDS)的工作原理是用激光照射大气样品,激光的频率可以与特定的同位素结构的甲烷分子的共振相一致。腔体的部分壁面具有反射性,所以入射光难以逃逸。一旦激光器关闭,入射光将在腔内来回反射几微秒,然后消失。安斯塔特说,光线消失所花费的时间是衡量空腔中目标分子数量的一个指标。这样,腔衰荡光谱仪就可以确定火星 - 甲烷的不同同位素丰度比。由于这些光在消失之前从腔内的气体来回传播数千次,因此无腔环光谱仪可以比通常的光谱仪更好地测量甲烷浓度。

  虽然无腔环光谱仪是一项成熟的技术,但是Anstat和他的团队需要开发一种高灵敏度的便携式设备。他们做了一个70磅重的测试样机,这台光谱仪的质量大约是普通光谱仪质量的五分之一。他们现在的目标是在火星科学实验室之后的下一个漫游车任务中,创造一个更小更适合的仪器来执行太空任务。安斯泰德说:我们计划改进光谱仪,以便在火星上正常工作。众所周知,火星上的压力比较低,而且还有很多灰尘。

  美国宇航局空间网络报告原文(英文)

  美国宇航局:火星发现甲烷或表明它仍然存在