火星の天然メタン

火星の大気中にメタンが存在するという報告は、多くの地質学者や宇宙生物学者の関心を集めています。 ^[1]メタンは火星に微生物が存在することや、火山活動や熱水活動などの地球化学的プロセスが存在することを示している可能性があるからです。^{[2] [3] [4] [5] [6] [7]}

2004年以来、さまざまなミッションや観測研究で微量のメタン（60ppbvから検出限界以下（<0.05ppbv）の範囲）が報告されています。^{[8] [9] [10] [11] [12]}火星のメタンの発生源と、観測されたメタン濃度の大きな矛盾の説明はまだ不明であり、研究中です。^{[1] [13]}メタンが検出されるたびに、効率的だが未知のプロセスによって大気から急速に除去されます。^[14]

メタン(CH _{4 ) は、現在の火星の酸化大気中では化学的に不安定です。太陽からの}紫外線(UV) や他のガスとの化学反応により、すぐに分解します。したがって、大気中にメタンが持続的または断続的に存在することは、ガスを継続的に補充する供給源が存在することを意味している可能性があります。

大気中にメタンが存在する最初の証拠は、ESAのマーズ・エクスプレス探査機が惑星フーリエ分光計と呼ばれる機器で測定した。^[15] 2004年3月、マーズ・エクスプレスの科学チームは、大気中に約10ppbvの濃度のメタンが存在することを示唆した。^{[16] [17] [18] [19]}これはその後すぐに3つの地上望遠鏡チームによって確認されたが、2003年と2006年の観測では存在量に大きな違いが見られた。このガスの空間的および時間的な変動は、メタンが局所的に集中しており、おそらく季節的なものであることを示唆している。^[20]火星は年間270トンのメタンを生成すると推定されている。^{[21] [22]}

2011年、NASAの科学者らは、高高度地上観測所（VLT、ケック2、NASA-IRTF）の高解像度赤外線分光法を用いて火星の微量元素（メタンを含む）を包括的に調査したと報告し、メタン（< 7 ppbv）、エタン（< 0.2 ppbv）、メタノール（< 19 ppbv）およびその他の元素（H ₂ CO、C ₂ H ₂、C ₂ H ₄、N ₂ O、NH ₃、HCN、CH ₃ Cl、HCl、HO ₂ – すべてppbvレベルの上限値）の感度上限値を導き出した。^[23]

2012年8月、キュリオシティ探査車が火星に着陸した。探査車の機器は正確な存在比測定が可能であるが、メタンの異なる同位体を区別することができず、それが地球物理学的起源か生物起源かを判断することはできない。^[24]しかし、微量ガス探査機（TGO）はこれらの比率を測定し、その起源を指摘することができる。^[15]

2012年にキュリオシティの 波長可変レーザー分光計（TLS）で行われた最初の測定では、着陸地点にメタンが存在しない、もしくは5ppb未満であることが示され、^{[25] [26] [27]}後にベースラインが0.3～0.7ppbvと計算された。^[28] 2013年に、NASAの科学者は再びベースラインを超えるメタンが検出されなかったと報告した。^{[29] [30] [31]}しかし、2014年にNASAは、キュリオシティ探査車が2013年後半から2014年初めにかけて周囲の大気中のメタンが10倍に増加（「スパイク」）したことを報告した。 ^[10]この期間に2か月にわたって行われた4回の測定の平均は7.2ppbvであり、火星が未知の発生源から断続的にメタンを生成または放出していることを示唆している。[ ^{10] [32] [33] [10] 2018年6月7日、NASAは大気}中のメタンの背景レベルに周期的な季節変動があることを確認したことを発表しました。^{[34] [35] [36]}キュリオシティローバーによって検出されたメタンの最大濃度は、2019年6月下旬のイベント中に21ppbvまで急上昇しました。^{[37] [38]}マーズ・エクスプレス・オービターは、キュリオシティによるメタン検出の20時間前と検出の24時間後および48時間後にその地域でスポット追跡を行っていました。 ^[15]また、TGOはほぼ同じ時期に、より高い緯度で大気観測を行っていました。^[15]

2014年9月24日に火星の周回軌道に入ったインドの火星探査機（マーズ・オービター・ミッション）には、大気中のメタンを測定するファブリ・ペロー干渉計が搭載されているが、火星の周回軌道に入った後、メタンを検出できないことが判明したため、^{[39] [40] : 57}この機器はアルベド・マッパーとして再利用された。^{[39] [41]} 2019年4月現在、TGOはメタン濃度が検出可能なレベル（< 0.05 ppbv）を下回っていることを示した。^{[12] [19]}

パーサヴィアランス探査車（2021年2月に着陸）とロザリンド・フランクリン探査車（2028年着陸予定^[42]）には、大気中のメタンやその同位体を分析する装備は搭載されていないため、^{[43] [44]} 、2030年代半ばに提案されている火星サンプルリターンミッションが、サンプルを分析することで地質学的起源と生物起源を区別できる最も早い時期であると思われる。^[44]

火星のメタンの起源として主な候補には、水と岩石の反応、水の放射線分解、黄鉄鉱の形成など、非生物学的プロセスが含まれます。これらはすべてH _2を生成し、それがCOとCO ₂とのフィッシャー・トロプシュ合成によってメタンやその他の炭化水素を生成します。^[45]また、火星で一般的であることが知られている水、二酸化炭素、鉱物のオリビンを含むプロセスによってメタンが生成される可能性があることも示されています。 ^[46]この反応に必要な条件（高温高圧）は表面には存在しませんが、地殻内に存在する可能性があります。^{[47] [48]}鉱物の副産物である蛇紋岩が検出されることは、このプロセスが起こっていることを示唆しています。地球での類似点は、火星で蛇紋岩からの低温でのメタン生成と放出が可能であることを示唆しています。^[49]別の可能性のある地球物理学的発生源は、時折放出される可能性があるクラスレート水和物に閉じ込められた古代のメタンである可能性があります。 ^[50]火星の初期環境が寒冷であったと仮定すると、氷圏は深部で安定した形でメタンをクラスレートとして閉じ込め、散発的に放出する可能性がある。^[51]

現代の地球では、火山活動はメタン放出のマイナーな発生源であり、^[52]通常は二酸化硫黄ガスを伴います。しかし、火星大気中の微量ガスの研究では、火星大気中に二酸化硫黄が存在する証拠は見つからず、火星の火山活動がメタンの発生源である可能性は低いと考えられます。^{[53] [54]}蛇紋岩化などの地質学的メタンの供給源は考えられますが、現在火山活動、熱水活動、ホットスポットがないため^[55]、地質学的メタンの発生には好ましくありません。

火星の大気圏に突入する隕石によってメタンが補充される可能性も提案されていたが^{[56] 、}インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者らは、このように放出されるメタンの量は、測定されたガスレベルを維持するには少なすぎることを発見した。^[57]メタンが、大気圏突入時の高熱によって隕石内で化学反応が起こり生成されたのではないかと示唆されている。2009年12月に発表された研究ではこの可能性は否定されているが^[58] 、 2012年に発表された研究では、隕石上の有機化合物が紫外線によってメタンに変換される可能性が示唆されている。^[59]

実験室でのテストでは、電気放電が水氷や二酸化炭素と相互作用するとメタンの爆発が発生することが実証されています_。 [ ^{60] [61]}砂嵐や砂嵐の塵粒子が永久凍土の氷と接触して帯電することで発生する放電では、印加エネルギー1ジュールあたり約1.41×10 ¹⁶分子のメタンが生成されることがあります。^[60]

現在の光化学モデルでは、火星のメタン濃度の急速な変動を説明できません。^{[62] [63]}研究によると、メタン破壊の寿命は最長で地球の約 4 年、最短で地球の約 0.6 年です。^{[64] [65]}この説明のつかない急速な破壊率は、非常に活発な補充源があることも示唆しています。^{[66]イタリア}国立天体物理学研究所のチームは、キュリオシティ探査車が検出したメタンは、ガレクレーターの東約 500 km に位置するメデューサエ フォッサエ層と呼ばれる近隣地域から放出された可能性があると考えています。この地域は断層になっており、おそらく火山起源です。^[67]

メタン生成菌などの生きた微生物も、別の可能性のある発生源ですが、火星ではそのような生物の存在を示す証拠は見つかっていません。地球の海洋では、生物学的メタン生成はエタン（C
₂H
₆）世代の有機分子が火星大気中に発見された。長期にわたる地上分光観測では、火星大気中にこれらの有機分子は発見されなかった。^[23]これらの分子の一部は寿命が長いと予想されるため、生物起源の有機物の放出は極めて稀か、現在は存在しないと思われる。^[23]

水素との反応による二酸化炭素のメタンへの還元は次のように表すことができます。

${\displaystyle {\ce {CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O}}}$（∆G˚' = -134 kJ/mol CH ₄）

この CO2 と水素の反応により_メタンが生成され、細胞膜を横切る電気化学的勾配が生成され、化学浸透によってATPが生成されます。対照的に、植物や藻類は太陽光や栄養素からエネルギーを得ます。

火星の水素とメタンのレベルの比率を測定することは、火星に生命が存在する可能性を判断するのに役立つ可能性があります。^{[68] [69] [70]}大気中のH ₂ /CH ₄比率が低い（約40未満）ことは、大気中のメタンの大部分が生物活動に起因する可能性があることを示している可能性がありますが、^{[68]火星の下層大気で観測された比率は「約10倍」高く、「生物学的プロセスが観測されたCH} ₄の原因ではない可能性があることを示唆しています」。^[68]

2003年に大気中にメタンが発見されて以来、一部の科学者は火星の模擬土壌でメタン生成細菌の増殖をテストするモデルと試験管内実験を設計しており、テストされた4つのメタン生成菌株はすべて、1.0重量%の過塩素酸塩が存在する場合でも、かなりの量のメタンを生成しました。 ^[71]メタン生成菌は酸素や有機栄養素を必要とせず、光合成を行わず、エネルギー源として水素、炭素源として二酸化炭素（CO2）を使用するため、火星の地下環境に生息する可能性があります。[72] 火星の微小な生命体がメタンを生成している場合、それはおそらく地表のはるか下にあり、液体の水が存在できるほど暖かい場所に_ある^でしょう。[ ^73]

2015年にアーカンソー大学で発表された研究では、火星の地下の帯水層に似た環境では、一部のメタン生成菌が火星の低圧でも生存できる可能性があることが示唆された。検査された4種は、メタノサーモバクター・ウォルフェイ、メタノサルシナ・バルケリ、メタノバクテリウム・フォルミシカム、メタノコッカス・マリパルディスであった。^[72]

ギルバート・レビン率いるチームは、メタンの生成と分解という両方の現象は、メタンを生成する微生物とメタンを消費する微生物の生態系によって説明できると示唆した。^{[4] [74]}

たとえ探査車ミッションで火星の微小生命体がメタンの季節的な発生源であると判明したとしても、その生命体はおそらく探査車の到達範囲外にある地表のはるか下に存在するだろう。^[75]

当初、メタンは紫外線を含む酸化大気中では化学的に不安定であり、火星大気中での寿命は約400年であると考えられていたが^[13]、2014年には、強力なメタンの吸収源は大気中の酸化を受けないと結論付けられ、一般的に「吸収源」と呼ばれるメタンを「消費」する効率的な物理化学プロセスが地表に存在することを示唆している。^{[76] [77]}

ある仮説では、メタンはまったく消費されず、むしろ季節的にクラスレートから凝縮して蒸発すると仮定している。^[78]別の仮説では、メタンが転がる表面の砂や石英（二酸化ケイ素SiO
₂）とオリビンがSi –  CH結合を形成して共有結合を形成する。
₃研究者らは、これらの固体は酸化され、ガスは侵食プロセス中にイオン化されることを示した。したがって、イオン化されたメタンは鉱物の表面と反応して結合する。^{[80] [ 81]}

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  火星の揮発性ガス。
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  キュリオシティ探査車による火星大気中のメタン測定。

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