火星の新たな謎が科学者たちを困惑させている。火星の大気中の酸素濃度は、春夏と秋冬には毎年上昇するようだ。しかし、科学者たちはその理由を解明できていない。
この驚くべき発見は、NASAの火星探査車キュリオシティに搭載された電子レンジ大の装置「火星サンプル分析装置（SAM）」がゲール・クレーターから採取したデータを研究チームが分析した後になされた。SAMは2012年から火星探査を行っており、研究者たちは初めて季節によるガス濃度の変動を観測することが可能となった。
SAMは火星の大気の化学組成を確認した。体積比で二酸化炭素95%、窒素2.6%、アルゴン1.9%、酸素0.16%、一酸化炭素0.06%である。しかし、これらの濃度は時間とともに変化した。
「初めてそれを見た時は、ただ驚くばかりでした」と、地球物理学研究ジャーナル：惑星誌に掲載された研究の共著者で、ミシガン大学の気候・宇宙科学教授であるスシル・アトレヤ氏は語った。
二酸化炭素は冬季に火星の北極と南極で凍結し、火星の大気全体の気圧を下げます。しかし、春と夏には蒸発し、再び気圧を上昇させます。科学者たちは、他の気体も同様のパターンを示し、大気中の二酸化炭素量に応じて増減すると予想していました。
窒素とアルゴンの濃度も同様に変動しましたが、酸素の濃度は大きく変動しました。酸素は二酸化炭素と同様に春と夏に増加し、秋と冬に減少しますが、その変動量は予測不可能でした。温暖な季節には酸素濃度が最大30%も急上昇し、冬には平年値を下回ることもあります。これは、何らかの物質が酸素を生成し、再び吸収していることを示唆しています。
研究者たちは、火星で酸素を何が汲み上げたり放出したりしているのか全く分かっていません。微生物などの生物由来の未知の化学反応か、火星の水や岩石で起こる物理的プロセスのいずれかである可能性があります。研究チームは後者の可能性が高いと考えています。
彼らは、二酸化炭素と水分子が分解して酸素を放出する、あるいは太陽光線が酸素分子を分解して酸素を奪うなど、様々な可能性を検討した。しかし、そのためには火星に存在する水の量の5倍が必要となり、二酸化炭素と酸素分子が分解して季節ごとの観測ガス濃度に達するには時間がかかりすぎる。
土壌に関係があるのかもしれない
「私たちはこれを説明するのに苦労しています」と、論文の第一著者でNASAゴダード宇宙飛行センターの惑星科学者メリッサ・トレーナー氏は語った。
「酸素の挙動が毎シーズン完璧に再現できないという事実から、これは大気力学と関係のある問題ではないと考えられます。まだ説明できない何らかの化学的な発生源と吸収源が関係しているに違いありません。」
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研究チームはまた、メタンも不規則に変動し、夏には何らかの不可解な理由で最大60パーセントまで上昇することもあることに気づいた。
「火星の1年の大部分において、メタンと酸素の間にこの興味深い相関関係が見られ始めています」とアトレヤ氏は述べた。「何か理由があると思います。ただ、まだ答えは出ていません。誰も答えを持っていません。」
火星の土壌にも酸素が存在するため、研究チームは次にそこを調査しました。温暖期に太陽から放射される余分な放射によって土壌が温められ、大気中に酸素が放出されるのではないかと考えたのです。しかし、このプロセスは非常に遅く、春1回分の酸素濃度を高めるのに十分な量のガスを土壌に蓄積させるだけでも100万年かかります。
それでも、研究者たちは、土壌で起こっている別の未知のプロセスが原因かもしれないと考えています。「必要な量の酸素を生成するプロセスはまだ特定できていませんが、大気中に利用可能な酸素原子が不足しているため、私たちが目にする現象を引き起こすには、表土で季節的に変化する何かが原因だと考えています」と、論文の共著者であり、メリーランド大学の研究助手であるティモシー・マコノチー氏は述べています。
「このような興味深い行動が数年にわたって見られるのは初めてです。まだ完全には理解できていません」とトレーナー氏は付け加えた。「私にとってこれは、この問題に関心のあるすべての賢明な方々への公開呼びかけです。皆さんの考えをぜひお聞かせください。」®
