För första gången i rymdutforskningens historia, forskare har mätt de säsongsmässiga förändringarna i gaserna som fyller luften direkt ovanför ytan av Gale Crater på Mars. Som ett resultat, de märkte något förbryllande:syre, gasen som många jordvarelser använder för att andas, beter sig på ett sätt som hittills inte kan förklaras av forskare genom några kända kemiska processer.

Under loppet av tre Mars-år (eller nästan sex jordår) inhalerade ett instrument i Sample Analysis at Mars (SAM) bärbara kemilabbet inne i magen på NASA:s Curiosity-rover luften från Gale Crater och analyserade dess sammansättning. Resultaten som SAM spottade ut bekräftade sammansättningen av Mars atmosfär vid ytan:95 volymprocent koldioxid (CO ₂ ), 2,6 % molekylärt kväve (N ₂ ), 1,9 % argon (Ar), 0,16 % molekylärt syre (O ₂ ), och 0,06 % kolmonoxid (CO). De avslöjade också hur molekylerna i Marsluften blandas och cirkulerar med förändringarna i lufttrycket under hela året. Dessa förändringar orsakas när CO ₂ gas fryser över polerna på vintern, därigenom sänker lufttrycket över planeten efter omfördelning av luft för att upprätthålla tryckjämvikt. När CO ₂ avdunstar på våren och sommaren och blandas över Mars, det höjer lufttrycket.

Inom denna miljö, forskare fann att kväve och argon följer ett förutsägbart säsongsmönster, vaxar och avtar i koncentrationen i Gale Crater under hela året i förhållande till hur mycket CO ₂ är i luften. De förväntade sig att syre skulle göra detsamma. Men det gjorde det inte. Istället, mängden gas i luften steg under våren och sommaren med så mycket som 30 %, och sedan sjönk tillbaka till nivåer som förutspåddes av känd kemi under hösten. Detta mönster upprepas varje vår, även om mängden syre som tillförts atmosfären varierade, antyder att något producerade det och sedan tog det bort.

"Första gången vi såg det, det var bara förvirrande, " sa Sushil Atreya, professor i klimat- och rymdvetenskap vid University of Michigan i Ann Arbor. Atreya är medförfattare till en artikel om detta ämne som publicerades den 12 november i Journal of Geophysical Research:Planeter.

Så snart forskare upptäckte syregåtan, Marsexperter satte igång med att försöka förklara det. De dubbel- och trippelkontrollerade först noggrannheten hos SAM-instrumentet de använde för att mäta gaserna:Quadrupole Mass Spectrometer. Instrumentet var bra. De övervägde möjligheten att CO ₂ eller vatten (H ₂ O) molekyler kunde ha frigjort syre när de gick sönder i atmosfären, leder till den kortlivade uppgången. Men det skulle ta fem gånger mer vatten ovanför Mars för att producera det extra syret, och CO ₂ bryts upp för långsamt för att generera den under så kort tid. Hur är det med syreminskningen? Kan solstrålningen ha brutit upp syremolekyler till två atomer som blåste iväg ut i rymden? Nej, forskare drog slutsatsen, eftersom det skulle ta minst 10 år för syret att försvinna genom denna process.

"Vi kämpar för att förklara detta, " sa Melissa Trainer, en planetforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland som ledde denna forskning. "Det faktum att syrebeteendet inte är perfekt repeterbart varje säsong får oss att tro att det inte är en fråga som har att göra med atmosfärisk dynamik. Det måste vara någon kemisk källa och sjunka som vi ännu inte kan redogöra för."

Till forskare som studerar Mars, syrehistorien liknar märkligt nog metanens. Metan finns ständigt i luften inuti Gale Crater i så små mängder (0,00000004 % i genomsnitt) att det knappt går att urskilja ens av de känsligaste instrumenten på Mars. Fortfarande, det har mätts med SAM:s Tunable Laser Spectrometer. Instrumentet avslöjade att medan metan stiger och faller säsongsmässigt, det ökar i överflöd med cirka 60 % under sommarmånaderna av oförklarliga skäl. (Faktiskt, metan ökar också slumpmässigt och dramatiskt. Forskare försöker ta reda på varför.)

Med de nya syrefynden i hand, Trainers team undrar om kemi som liknar det som driver metans naturliga säsongsvariationer också kan driva syre. Åtminstone ibland, de två gaserna verkar fluktuera samtidigt.

"Vi börjar se denna lockande korrelation mellan metan och syre under en stor del av Mars-året, " Sa Atreya. "Jag tror att det ligger något i det. Jag har bara inte svaren än. Ingen gör."

Syre och metan kan produceras både biologiskt (från mikrober, till exempel) och abiotiskt (från kemi relaterad till vatten och stenar). Forskare överväger alla alternativ, även om de inte har några övertygande bevis på biologisk aktivitet på Mars. Curiosity har inga instrument som definitivt kan säga om källan till metan eller syre på Mars är biologisk eller geologisk. Forskare förväntar sig att icke-biologiska förklaringar är mer sannolika och arbetar flitigt för att helt förstå dem.

Tränarteamet ansåg marsjord som en källa till extra vårsyre. Trots allt, det är känt att det är rikt på elementet, i form av föreningar som väteperoxid och perklorater. Ett experiment på vikingalandarna visade för decennier sedan att värme och fukt kunde frigöra syre från Mars mark. Men det experimentet ägde rum under förhållanden som helt skilde sig från vårmiljön på mars, och det förklarar inte syrefallet, bland andra problem. Andra möjliga förklaringar stämmer inte heller riktigt med just nu. Till exempel, högenergistrålning av marken skulle kunna producera extra O ₂ i luften, men det skulle ta en miljon år att ackumulera tillräckligt med syre i jorden för att ta hänsyn till ökningen som uppmättes under bara en vår, forskarna rapporterar i sin uppsats.

"Vi har inte kunnat komma på en process ännu som producerar den mängd syre vi behöver, men vi tror att det måste vara något i ytjorden som ändras säsongsmässigt eftersom det inte finns tillräckligt med tillgängliga syreatomer i atmosfären för att skapa det beteende vi ser, sa Timothy McConnochie, biträdande forskare vid University of Maryland i College Park och en annan medförfattare till artikeln.

Den enda tidigare rymdfarkosten med instrument som kunde mäta sammansättningen av Marsluften nära marken var NASA:s dubbla Vikinglandare, som anlände till planeten 1976. Vikingaexperimenten omfattade bara några marsdagar, fastän, så de kunde inte avslöja säsongsmönster för de olika gaserna. De nya SAM-mätningarna är de första som gör det. SAM-teamet kommer att fortsätta att mäta atmosfäriska gaser så att forskare kan samla in mer detaljerad data under varje säsong. Sålänge, Trainer och hennes team hoppas att andra Mars-experter kommer att arbeta för att lösa syremysteriet.

"Det här är första gången vi ser detta intressanta beteende under flera år. Vi förstår det inte helt, " Sa Trainer. "För mig, det här är en öppen uppmaning till alla smarta människor där ute som är intresserade av detta:Se vad du kan hitta på."