Varför upptäcker vissa vetenskapliga instrument gasen på den röda planeten medan andra inte gör det?

Rapporter om metandetekteringar på Mars har fängslat både forskare och icke-forskare. På jorden, en betydande mängd metan produceras av mikrober som hjälper de flesta boskap att smälta växter. Denna rötprocess slutar med att boskapen andas ut eller rapar gasen upp i luften.

Även om det inte finns några boskap, får, eller getter på Mars, att hitta metan där är spännande eftersom det kan antyda att mikrober var, eller är, bor på den röda planeten. Metan kan inte ha något att göra med mikrober eller någon annan biologi, dock; geologiska processer som involverar växelverkan mellan bergarter, vatten, och värme kan också producera det.

Innan man identifierar källorna till metan på Mars, forskare måste lösa en fråga som har gnagt på dem:Varför upptäcker vissa instrument gasen medan andra inte gör det? NASA:s Curiosity rover, till exempel, har upprepade gånger upptäckt metan precis ovanför ytan av Gale Crater. Men ESA:s (Europeiska rymdorganisationen) ExoMars Trace Gas Orbiter har inte upptäckt något metan högre upp i Mars atmosfär.

"När Trace Gas Orbiter kom ombord 2016, Jag förväntade mig fullt ut att orbiterteamet skulle rapportera att det finns en liten mängd metan överallt på Mars, sa Chris Webster, ledaren för Tunable Laser Spectrometer (TLS) instrumentet i Sample Analysis at Mars (SAM) kemilabbet ombord på Curiosity rover.

TLS har mätt mindre än en halv del per miljard i volym av metan i genomsnitt i Gale Crater. Det motsvarar ungefär en nypa salt utspädd i en simbassäng av olympisk storlek. Dessa mätningar har avbrutits av förbryllande toppar på upp till 20 delar per miljard i volym.

"Men när det europeiska laget meddelade att det inte såg något metan, Jag blev definitivt chockad, sa Webster, som är baserad på NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien.

Den europeiska orbitern designades för att vara guldstandarden för mätning av metan och andra gaser över hela planeten. På samma gång, Curiositys TLS är så exakt, den kommer att användas för tidig varning för branddetektering på den internationella rymdstationen och för att spåra syrenivåer i astronautdräkter. Den har också licensierats för användning vid kraftverk, på oljeledningar, och i stridsflygplan, där piloter kan övervaka syre- och koldioxidnivåerna i sina ansiktsmasker.

Fortfarande, Webster och SAM-teamet rycktes av de europeiska orbiterfynden och gav sig genast iväg för att granska TLS-mätningarna på Mars.

Vissa experter föreslog att rovern själv släppte ut gasen. "Så vi tittade på korrelationer med roverns pekande, marken, krossandet av stenar, hjulförsämringen – you name it, " sa Webster. "Jag kan inte överskatta den ansträngning som teamet har lagt ner på att titta på varje liten detalj för att säkerställa att dessa mätningar är korrekta, och de är."

Webster och hans team rapporterade sina resultat idag i Astronomi &Astrofysik tidning.

När SAM-teamet arbetade för att bekräfta sina metandetekteringar, en annan medlem av Curiositys vetenskapsteam, planetforskaren John E. Moores från York University i Toronto, publicerade en spännande förutsägelse 2019. "Jag tog vad några av mina kollegor kallar en mycket kanadensisk syn på detta, i den meningen att jag ställde frågan:'Tänk om Curiosity och Trace Gas Orbiter båda har rätt?'" sa Moores.

Moores, såväl som andra Curiosity-teammedlemmar som studerar vindmönster i Gale Crater, hypotesen att skillnaden mellan metanmätningar beror på tiden på dygnet de tas. Eftersom den behöver mycket kraft, TLS fungerar mest på natten när inga andra Curiosity-instrument fungerar. Mars atmosfären är lugn på natten, Moores noterade, så metanet som sipprar från marken byggs upp nära ytan där Curiosity kan upptäcka det.

The Trace Gas Orbiter, å andra sidan, kräver solljus för att lokalisera metan cirka 3 miles, eller 5 kilometer, ovanför ytan. "All atmosfär nära en planets yta genomgår en cykel under dagen, ", sa Moores. Värme från solen strömmar atmosfären när varm luft stiger upp och sval luft sjunker. metanet som är begränsat nära ytan på natten blandas in i den bredare atmosfären under dagen, vilket späder ut det till oupptäckbara nivåer. "Så jag insåg inget instrument, speciellt en kretsande, skulle se vad som helst, " sa Moores.

Omedelbart, Curiosity-teamet bestämde sig för att testa Moores förutsägelse genom att samla in de första högprecisionsmätningarna på dagtid. TLS mätte metan i följd under loppet av en Mars-dag, bracketing en nattmätning med två dagtid. Med varje experiment, SAM sög in Marsluft i två timmar, kontinuerligt avlägsna koldioxiden, som utgör 95 % av planetens atmosfär. Detta lämnade ett koncentrerat prov av metan som TLS enkelt kunde mäta genom att passera en infraröd laserstråle genom det många gånger, en som är inställd för att använda en exakt våglängd av ljus som absorberas av metan.

"John förutspådde att metan effektivt skulle gå ner till noll under dagen, och våra två mätningar dagtid bekräftade att, sa Paul Mahaffy, huvudutredaren för SAM, som är baserad på NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. TLS nattmätning passade väl inom det genomsnitt som teamet redan hade fastställt. "Så det är ett sätt att lägga ner den här stora skillnaden, " sa Mahaffy.

Även om denna studie tyder på att metankoncentrationerna stiger och sjunker under dagen vid ytan av Gale Crater, forskare har ännu inte löst det globala metanpusslet på Mars. Metan är en stabil molekyl som förväntas hålla på Mars i cirka 300 år innan den slits sönder av solstrålning. Om metan ständigt sipprar från alla liknande kratrar, som forskare misstänker sannolikt med tanke på att Gale inte verkar vara geologiskt unik, tillräckligt mycket av det borde ha samlats i atmosfären för att Trace Gas Orbiter skulle kunna upptäcka. Forskare misstänker att något håller på att förstöra metan på mindre än 300 år.

Experiment pågår för att testa om mycket låga elektriska urladdningar inducerade av damm i Mars atmosfär kan förstöra metan, eller om rikligt med syre på Mars yta snabbt förstör metan innan det kan nå den övre atmosfären.

"Vi måste avgöra om det finns en snabbare destruktionsmekanism än normalt för att fullständigt förena datamängderna från rover och orbiter, sa Webster.