Voor het eerst in de geschiedenis van de verkenning van de ruimte, wetenschappers hebben de seizoensveranderingen gemeten in de gassen die de lucht direct boven het oppervlak van de Gale Crater op Mars vullen. Als resultaat, ze merkten iets verbijsterends op:zuurstof, het gas dat veel aardse wezens gebruiken om te ademen, gedraagt ​​zich op een manier die wetenschappers tot nu toe niet kunnen verklaren door middel van bekende chemische processen.

In de loop van drie Marsjaren (of bijna zes aardse jaren) inhaleerde een instrument in het Sample Analysis at Mars (SAM) draagbare chemielaboratorium in de buik van NASA's Curiosity-rover de lucht van Gale Crater en analyseerde de samenstelling ervan. De resultaten die SAM uitspuugde, bevestigden de samenstelling van de atmosfeer van Mars aan het oppervlak:95 vol.% koolstofdioxide (CO ₂ ), 2,6% moleculaire stikstof (N ₂ ), 1,9% argon (Ar), 0,16% moleculaire zuurstof (O ₂ ), en 0,06% koolmonoxide (CO). Ze onthulden ook hoe de moleculen in de lucht van Mars zich het hele jaar door mengen en circuleren met de veranderingen in luchtdruk. Deze veranderingen worden veroorzaakt wanneer CO ₂ gas bevriest in de winter boven de polen, waardoor de luchtdruk over de planeet wordt verlaagd na herverdeling van lucht om het drukevenwicht te handhaven. Wanneer CO ₂ verdampt in de lente en zomer en vermengt zich over Mars, het verhoogt de luchtdruk.

Binnen deze omgeving, wetenschappers ontdekten dat stikstof en argon een voorspelbaar seizoenspatroon volgen, toenemende en afnemende concentratie in Gale Crater gedurende het hele jaar in verhouding tot hoeveel CO ₂ is in de lucht. Ze verwachtten dat zuurstof hetzelfde zou doen. Maar dat deed het niet. In plaats daarvan, de hoeveelheid gas in de lucht steeg in de lente en zomer met maar liefst 30%, en zakte vervolgens terug naar niveaus die in de herfst waren voorspeld door de bekende chemie. Dit patroon herhaalde zich elk voorjaar, hoewel de hoeveelheid zuurstof die aan de atmosfeer werd toegevoegd varieerde, impliceren dat iets het produceerde en het vervolgens wegnam.

"De eerste keer dat we dat zagen, het was gewoon verbijsterend, " zei Sushil Atreya, hoogleraar klimaat- en ruimtewetenschappen aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor. Atreya is co-auteur van een artikel over dit onderwerp, gepubliceerd op 12 november in de Journal of Geophysical Research:Planeten.

Zodra wetenschappers het zuurstof-enigma ontdekten, Mars-experts gingen aan de slag om het uit te leggen. Ze controleerden eerst de nauwkeurigheid van het SAM-instrument dat ze gebruikten om de gassen te meten:de Quadrupole Mass Spectrometer. Het instrument was prima. Ze overwogen de mogelijkheid dat CO ₂ of water (H ₂ O) moleculen kunnen zuurstof hebben afgegeven toen ze uit elkaar vielen in de atmosfeer, leidend tot de kortstondige stijging. Maar er zou vijf keer meer water nodig zijn boven Mars om de extra zuurstof te produceren, en co ₂ breekt te langzaam om het in zo'n korte tijd te genereren. Hoe zit het met de zuurstofafname? Zou zonnestraling zuurstofmoleculen kunnen breken in twee atomen die de ruimte in bliezen? Nee, wetenschappers concludeerden, omdat het minstens 10 jaar zou duren voordat de zuurstof door dit proces zou verdwijnen.

"We hebben moeite om dit uit te leggen, " zei Melissa Trainer, een planetaire wetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland die dit onderzoek leidde. "Het feit dat het zuurstofgedrag niet elk seizoen perfect herhaalbaar is, doet ons denken dat het geen probleem is dat te maken heeft met atmosferische dynamiek. Het moet een chemische bron en gootsteen zijn die we nog niet kunnen verklaren."

Aan wetenschappers die Mars bestuderen, het zuurstofverhaal lijkt merkwaardig genoeg op dat van methaan. Methaan is constant in de lucht in Gale Crater in zulke kleine hoeveelheden (gemiddeld 0,00000004%) dat het zelfs door de meest gevoelige instrumenten op Mars nauwelijks waarneembaar is. Nog altijd, het is gemeten door SAM's Tunable Laser Spectrometer. Het instrument onthulde dat, hoewel methaan per seizoen stijgt en daalt, het neemt in de zomermaanden om onverklaarbare redenen in overvloed toe met ongeveer 60%. (In feite, methaan piekt ook willekeurig en dramatisch. Wetenschappers proberen erachter te komen waarom.)

Met de nieuwe zuurstof bevindingen in de hand, Het team van trainers vraagt ​​zich af of chemie, vergelijkbaar met wat de natuurlijke seizoensvariaties van methaan aandrijft, ook de zuurstof kan aandrijven. Tenminste af en toe, de twee gassen lijken gelijktijdig te fluctueren.

"We beginnen deze verleidelijke correlatie tussen methaan en zuurstof gedurende een groot deel van het Mars-jaar te zien, ' zei Atreya. 'Ik denk dat er iets aan de hand is. Ik heb alleen de antwoorden nog niet. Niemand doet."

Zuurstof en methaan kunnen zowel biologisch (uit microben, bijvoorbeeld) en abiotisch (van chemie gerelateerd aan water en rotsen). Wetenschappers overwegen alle opties, hoewel ze geen overtuigend bewijs hebben van biologische activiteit op Mars. Curiosity heeft geen instrumenten die definitief kunnen zeggen of de bron van het methaan of zuurstof op Mars biologisch of geologisch is. Wetenschappers verwachten dat niet-biologische verklaringen waarschijnlijker zijn en werken ijverig om ze volledig te begrijpen.

Het trainersteam beschouwde Marsbodem als een bron van extra lentezuurstof. Ten slotte, het is bekend dat het rijk is aan het element, in de vorm van verbindingen zoals waterstofperoxide en perchloraten. Een experiment op de Viking-landers toonde tientallen jaren geleden aan dat hitte en vochtigheid zuurstof uit de bodem van Mars konden vrijmaken. Maar dat experiment vond plaats in omstandigheden die heel anders waren dan de omgeving van de Martiaanse lente, en het verklaart de zuurstofdaling niet, onder andere problemen. Andere mogelijke verklaringen kloppen voorlopig ook niet helemaal. Bijvoorbeeld, hoogenergetische straling van de bodem kan extra O . produceren ₂ in de lucht, maar het zou een miljoen jaar duren om voldoende zuurstof in de bodem te verzamelen om de toename te verklaren die in slechts één lente werd gemeten, rapporteren de onderzoekers in hun paper.

"We hebben nog niet één proces kunnen bedenken dat de hoeveelheid zuurstof produceert die we nodig hebben, maar we denken dat het iets in de oppervlaktebodem moet zijn dat per seizoen verandert omdat er niet genoeg beschikbare zuurstofatomen in de atmosfeer zijn om het gedrag te creëren dat we zien, " zei Timothy McConnochie, assistent-onderzoeker aan de Universiteit van Maryland in College Park en een andere co-auteur van het artikel.

Het enige eerdere ruimtevaartuig met instrumenten die de samenstelling van de Mars-lucht nabij de grond konden meten, waren de twee Viking-landers van NASA, die in 1976 op de planeet arriveerde. De Viking-experimenten besloegen slechts een paar Marsdagen, Hoewel, dus ze konden geen seizoenspatronen van de verschillende gassen onthullen. De nieuwe SAM-metingen zijn de eerste die dit doen. Het SAM-team zal atmosferische gassen blijven meten, zodat wetenschappers gedurende elk seizoen meer gedetailleerde gegevens kunnen verzamelen. Ondertussen, Trainer en haar team hopen dat andere Mars-experts zullen werken om het zuurstofmysterie op te lossen.

"Dit is de eerste keer dat we dit interessante gedrag gedurende meerdere jaren zien. We begrijpen het niet helemaal, " Trainer zei. "Voor mij, dit is een open oproep aan alle slimme mensen die hierin geïnteresseerd zijn:kijk wat je kunt bedenken."