科学者たちは史上初めて、火星で塩化水素を発見した。この無色のガスの起源は未だ不明だが、火山活動や、火星の壮大な砂嵐に関連したこれまで未発見の化学サイクルといった説が有力視されている。
本日、Science Advances誌に掲載された新たな研究は、火星大気中の塩化水素（HCl）とそれに関連する塩素の化学反応を初めて記録したものです。これは、生命の痕跡となる可能性のあるメタンが2004年に発見されて以来、火星で新たな種類の分子が初めて検出されたことになります。塩化水素は生命とは関連がありません（実際は全く逆です）。しかし、メタンと同様に、塩化水素が火星に存在する理由は今や解明が必要な謎となっています。
研究の共著者であり、オックスフォード大学物理学部の研究者であるケビン・オルセン氏は、2つの可能性があると述べています。ガスは地表下のマグマ活動によって生成されたか、地表の塵と大気中のガスの複雑な化学反応によって生成されたかのどちらかです。どちらが正しいにせよ、非常に興味深い結果となるでしょう。
「地表の塵に含まれる鉱物と大気中のガスを結びつける化学循環の証拠が増えれば、氷の形成以外で地表と大気の直接的なつながりが初めて明らかになることになるだろう」とオルセン氏はメールで説明した。「一方、火山やその他のマグマからのガス放出など、何らかの噴出がHClの発生源であると判明すれば、これは活発な地質学的プロセスが発見された最初の証拠の一つとなるだろう。」
実際、NASAの探査機インサイトは、火星地震の発見を通じて、火星に未知の地質学的プロセスが存在することを示唆しています。前述のメタンの発見も同様に、未知の地質学的、あるいは生物学的プロセスの存在を示唆しています。しかし、もし表面物質と大気ガスを介した化学循環がHClに関与しているのであれば、それは科学とエクソマーズ微量ガス探査機（TCO）にとって大きな勝利となるでしょう。なぜなら、まさにそれが探査機が設計した目的だからです。
火星でHClの検出に使用されたTCOは、欧州宇宙機関（ESA）とロシアのロスコスモスの共同ミッションであり、2016年から火星の周回軌道上を周回しています。エクソマーズ・プロジェクトの主目的は、火星の下層大気に含まれる希ガス（水蒸気、二酸化窒素、アセチレン、メタンなど）を分類することです。これらの化合物やその他の化合物の発見と潜在的な相互作用は、火星でこれまで検出されていなかった化学反応が起こっている証拠となる可能性があります。したがって、HClの発見は、エクソマーズ・プロジェクトにとって大きな成果と言えるでしょう。
TCOの大気化学スイート分光計によって収集されたデータは、HClと一致するスペクトル配列を明らかにした。モスクワ宇宙研究所の惑星科学者で本研究の筆頭著者であるオレグ・コラブレフ氏は電子メールで、「研究チームは複数のスペクトル特性、特徴的な強度と位置のパターン」を検出し、「間違いなくHClであると特定することができた」と述べた。「さらに、Clの原子量の異なる2つの同位体、35Clと37Clも認識しました」とコラブレフ氏は付け加えた。
HCl は地球の大気中で非常に重要なガスであり、室温では目に見えませんが、大気中の水蒸気と接触すると白い塩酸の煙を発生させます。
「地表近くでは、蒸発した海水から生成され、酸の生成に関与しています。また、上層大気ではオゾン層の破壊にも関与しています」とオルセン氏は述べた。「火山からも放出されるため、私たちは火星でこれを探してきました。活発な火山活動の兆候です。しかし、私たちが観測したものの原因が火山にあるとは考えていません。別の大気化学反応が作用していると考えています。」
オルセン氏らは、HClと水蒸気の挙動が関連しているように見えることから、この現象が疑われている。この水蒸気は南極の氷床から来ており、火星の南半球の夏には、そこから蒸発した水が大気中に漏れ出す。実際、HClは2019年4月に検出された。これは火星の南半球では晩夏にあたる。
「私たちの観測は、極地の氷床の季節的な凍結融解サイクルが火星の大気と気候に与える影響に関するものです」とオルセン氏は語った。
重要なのは、HClの痕跡が、2018年に火星を覆った10年に一度の大規模な砂嵐の際にも検出されたことです。この砂嵐は、NASAの探査車オポチュニティを永久に機能停止させたのと同じものです。この地球規模の砂嵐は一時的な温室効果をもたらし、地表近くの水を高高度に引き上げました。オルセン氏によると、こうした「暖かく、埃っぽく、湿った大気」という条件が、火星におけるHClの形成につながった可能性があるとのことです。しかし、科学者たちが翌年に観測したように、HClの形成は「通常の季節的な埃っぽい条件でも起こり得る」と彼は指摘しました。
同時に、HClの火山起源を示す証拠は依然として弱い。コラブレフ氏は、二酸化硫黄など、他の「より豊富であると予想される火山ガス」は「火星では検出されていない」と述べた。「火星上の検出分布は、HClが集中する局所的な発生源を裏付けるものではない」一方、NASAのインサイト着陸機は「火星の地震活動が低いことを明らかにした」。これらすべての事実は「HClの火山起源説と矛盾している」と彼は述べた。
しかし不思議なことに、HClはすぐに消えてしまう。世界的な砂嵐の最中とその後、そして砂塵の季節にも観測されたが、その後は消えてしまい、研究者たちはその理由を解明できていない。
「HClの挙動に関する私たちの理解では、この現象は説明できません」とオルセン氏は述べた。「HClは二酸化炭素や水のように凝縮して凍結することはありませんし、それほど速く分解するはずもありません。それに、私たちの機器が測定できない場所に移動するには量が多すぎます。固体の塵や氷の粒子との相互作用は起こると予想されますが、HClがこれほど速く大気中から除去される仕組みは謎です」と彼は述べた。
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火星にHClが存在することは、それほど驚くべきことではありません。2008年に発見された過塩素酸塩（別の塩素化合物）が、このガスの存在を示唆していたからです。研究者らがHClの化学源について正しく認識しており、塩素が鉱物相と気体相の間を循環しているとすれば、「これは過塩素酸塩の形成に影響を与えるでしょうが、どの程度影響するかはまだわかりません」とオルセン氏は述べています。さらに彼は、「HClは非常に反応性が高く、地球の大気圏で重要な役割を果たしています。そして、私たちは予測よりもはるかに高い濃度でHClを観測しています。そのため、火星の大気の化学反応の見方やモデル化に影響を与えるでしょう」と付け加えました。
研究チームは現在、地球規模の砂嵐が発生しなかった翌年の火星年に収集されたTCOデータの精査に期待を寄せています。研究チームは、HClの出現と消失が塵や大気蒸気とどのように関連しているか、そして提案されているガス鉱物反応に関与する可能性のある成分について研究する予定です。同時に、研究チームは「火星の塩素化学に関する大気化学モデリングと実験室研究における新たな進展」も期待しているとコラブレフ氏は述べています。
火星は地球に次ぐ素晴らしい惑星だと考えがちですが、このような研究は、この場所がいかに過酷で異質な場所であるかを改めて思い知らせてくれます。火星では、地球で見られるプロセスとは明確に類似するものがない、実に奇妙な化学反応が起こっています。表面には水の流れがなく、二酸化炭素で満たされた薄い大気と、激しく変動する気温を持つ火星は、私たちが理解に苦しむ異質なプロセスの宝庫です。近い将来、私たちがそこに住むことはないだろう、とだけ言っておけば十分でしょう。
