大气时间胶囊：为什么科学家对NASA火星样品管中的空气感兴趣

NASA的“毅力号”（Perseverance）火星车收集的每一块岩石和土壤样本中，都藏着对大气科学家潜在的福音。

美国宇航局的“毅力号”火星探测器正在火星上收集样本，包括岩芯和大气气体，这些样本最终将返回地球。这些样本将为了解火星大气及其演化提供关键信息，可能揭示数十亿年前微生物生命的存在。特别是这些气体样本，可以提供有关微量气体和火星古代气候的宝贵数据，与地球自身的大气历史相似，并有助于未来的载人火星任务。

火星样本采集

随着美国宇航局“毅力号”火星探测器在其钛样管中密封的每一个岩石核心，大气科学家们变得更加兴奋。作为火星样本返回计划的一部分，这些样本正在收集中，最终将被送回地球，目前已经采集了24个样本。

这些样本大多由岩芯或风化层（破碎的岩石和灰尘）组成，它们可能会揭示有关火星历史的重要信息，以及数十亿年前微生物是否存在。但一些科学家对研究管道中岩石材料周围额外空间的“顶部空间”或空气的前景同样感到兴奋。

他们想了解更多关于火星大气的信息，火星大气主要由二氧化碳组成，但也可能包括自火星形成以来就存在的微量其他气体。

来自火星上空的洞察

“来自火星的空气样本不仅能告诉我们当前的气候和大气，还能告诉我们它是如何随时间变化的，”美国宇航局南加州喷气推进实验室的行星科学家布兰迪·卡里尔（Brandi Carrier）说。“这将帮助我们了解不同于我们自己的气候是如何演变的。”

在可能被带到地球的样本中，有一根完全装满气体的管子存放在火星表面，作为样本仓库的一部分。但更多的气体在火星车的收集是在岩石样本的顶部空间。这是独一无二的，因为气体将与管道内的岩石物质相互作用多年，然后样品才能在地球上的实验室中打开和分析。科学家们从中收集到的信息将有助于深入了解火星表面附近有多少水蒸气，这是决定火星上为什么会有冰形成的一个因素，也是决定火星水循环如何随时间演变的一个因素。

比较微量气体和古代大气

科学家们还想更好地了解火星空气中的微量气体。在科学上最诱人的是对惰性气体（如氖、氩和氙）的探测，这些惰性气体非常不活泼，自数十亿年前形成以来，它们可能一直存在，在大气中没有变化。如果能捕获到这些气体，就能揭示火星最初是否有大气层。（古代火星的大气层比现在厚得多，但科学家们不确定它是一直存在还是后来才形成的）。还有一个大问题是，这颗行星的古代大气与早期地球的大气相比如何。

顶部空间还将提供一个评估尘埃颗粒大小和毒性的机会，这些信息将有助于未来火星上的宇航员。

“这些气体样本可以为火星科学家提供很多东西，”贾斯汀·西蒙（Justin Simon）说，他是美国宇航局休斯顿约翰逊航天中心的地球化学家，是一个由十几名国际专家组成的小组的一员，该小组帮助决定火星车应该收集哪些样本。“即使是不研究火星的科学家也会感兴趣，因为它将揭示行星是如何形成和演化的。”

阿波罗的空气样本

2021年，包括美国宇航局科学家在内的一组行星研究人员，研究了大约50年前阿波罗17号宇航员用一个钢容器从月球带回的空气。

“人们认为月球是没有空气的，但它有一个非常脆弱的大气层，随着时间的推移，它与月球表面的岩石相互作用，”西蒙说，他在约翰逊研究各种行星样本。“这包括惰性气体从月球内部泄漏出来，并在月球表面聚集。”

气体分析实验室技术

西蒙的团队提取气体进行研究的方法与“毅力”号的空气样本类似。首先，他们把之前未打开的容器放入一个密封的容器中。然后，他们用一根针刺穿钢，将气体抽出到一个冷阱中 —— 本质上是一个U形管道，延伸到凝固点较低的液体中，比如氮气。通过改变液体的温度，科学家们在冷阱底部捕获了一些冰点较低的气体。

西蒙说：“世界上可能有25个实验室以这种方式操纵气体。”他补充说，除了用于研究行星物质的起源外，这种方法还可以应用于温泉和活火山壁排放的气体。

当然，这些来源提供的气体比毅力号的样管要多得多。但是，如果单个管道不能携带足够的气体进行特定的实验，火星科学家可以将多个管道中的气体结合起来，以获得更大的总样本 —— 这是顶部空间为科学提供额外机会的又一种方式。

美国宇航局的毅力号火星探测器

美国宇航局的毅力号火星车是火星2020任务的一部分，是一个复杂的移动实验室，旨在探索火星表面。“毅力号”于2020年7月30日发射，并于2021年2月18日在火星的耶泽罗陨石坑着陆，其主要任务是寻找古代生命的迹象，并收集岩石和风化层（破碎的岩石和土壤）样本，以便可能返回地球。

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