火星の大気
火星の空を覆う大気は、地球や金星と比べると格段に薄いガス層です。その主成分は二酸化炭素ですが、濃度は金星のそれよりもはるかに低い水準にあります。近年、生命活動の痕跡とも考えられるメタンが微量ながら検出されたことで、火星大気の組成への関心が再び高まっています。ただし、メタンは火山活動や熱水噴出孔など、生命活動以外の要因でも生成される可能性があります。
火星の地表における平均的な気圧は750パスカルで、これは地球の海面気圧（約101.3キロパスカル）の約0.75%に過ぎません。金星の平均気圧（約9.3メガパスカル）と比較すると、その差はさらに大きく、わずか0.0065%程度です。標高によって気圧は大きく変動し、最も高いオリンポス山の山頂では30パスカル程度、最も低いヘラス平原の深部では1,155パスカルに達します。大気の総質量も地球の5148テラトンに対し、火星はわずか25テラトンと圧倒的に少ない量です。しかし、大気の高度方向への広がりを示すスケールハイトは約11kmと、地球の約6kmよりも大きくなっています。火星大気の具体的な組成は、二酸化炭素が約95%、窒素が約3%、アルゴンが約1.6%を占め、その他に酸素、一酸化炭素、水、メタンなどが微量に含まれています。平均的なモル質量は約43.34g/molです。大気中には多くの塵が浮遊しており、地表から見上げる空は明るい茶色やオレンジ色に見えます。探査機マーズ・エクスプロレーション・ローバーの観測からは、浮遊する塵の粒子がおよそ1.5マイクロメートルの直径を持つことが示唆されています。
過去数十億年前、火星にかつて広大な海が存在した可能性を示す証拠が見つかっていることから、火星の大気は長い時間をかけて大きく変化してきたと考えられています。現在の火星の地表気圧は低く、水が液体として安定して存在できる三重点（611パスカル）を超えるのは比較的標高の低い地域のみです。高い地域では水は固体（氷）か気体（水蒸気）としてしか存在できません。また、現在の地表平均気温は210K（-63℃）以下であり、水が液体として存在するのに必要な温度よりもはるかに低い環境です。それでも、火星の歴史の初期には、地表に液体の水が存在し得る条件が整っていたと考えられています。
かつてはより濃密だった火星大気が失われた理由として、いくつかの仮説が提唱されています。
火星の磁場が不安定だったため、太陽風によって大気が徐々に宇宙空間へ剥ぎ取られた。
大気を大部分吹き飛ばしてしまうほどの大規模な天体衝突が発生した。
火星の質量が小さいために、大気分子が宇宙空間へ逃げやすかった。
火星大気は、いくつかの層に分かれています。
低層大気: 地表に浮遊する塵や土壌から伝わる熱の影響で比較的暖かい領域です。
中層大気: 地球のジェット気流に類似した、火星のジェットストリームが吹く領域とされています。
高層大気（熱圏）: 太陽からの熱エネルギーによって温度が非常に高くなり、個々の気体分子が分離し始める領域です。
* 外気圏: 高度200kmよりも上空の領域で、徐々に宇宙の真空へとつながりますが、明確な境界線はありません。
二酸化炭素
火星大気の主成分である二酸化炭素は、火星の気候に大きな影響を与えます。冬になると、その半球の極域は太陽光が当たらなくなり、大気中の二酸化炭素の約25%が固体（ドライアイス）として極冠を形成します。夏になり極域が再び太陽に照らされると、この固体の二酸化炭素は昇華して再び大気中に戻ります。この固体化と昇華のサイクルは、火星の年間を通じた大気圧の変動や、極周辺の大気組成の変化の主な要因となります。
アルゴン
火星大気には、太陽系内の他の惑星大気と比較して、比較的多くの希ガスであるアルゴンが含まれています。二酸化炭素のように凝固して大気から除去されることがないため、大気中に存在するアルゴンの総量は年間を通じて一定です。しかし、二酸化炭素が極冠と大気の間で移動することで、アルゴンの相対的な存在比率は場所によって変動する可能性があります。近年の人工衛星による観測データからは、南半球の秋には南極周辺の大気中のアルゴン濃度が上昇し、春には減少するという季節的なパターンが示されています。
水
火星大気中の水の存在量は、時間とともに大きく変動します。夏に極冠の二酸化炭素が昇華する際に、微量の水も大気中に放出されます。極域では時速400kmにも達する季節風が吹き、大量の塵や水蒸気を運び、地球で見られるような霜や巻雲を発生させます。このような氷の雲は、2004年に探査機オポチュニティによって撮影されました。2008年7月には、探査機フェニックスのチームが火星の北極域の地下に水の氷が存在することを正式に確認しました。フェニックスによるその後の分析で、この水がかつて液体だったのか、あるいは生命に不可欠な有機物を含んでいるのかなどが詳しく調べられる予定でした。
メタン
火星大気中に数ppb（10億分の数個）という非常に低い濃度でメタンが存在することは、2003年にゴダード宇宙飛行センターの科学者によって初めて報告されました。翌2004年3月には、マーズ・エクスプレス・オービターやカナダ・フランス・ハワイ望遠鏡による観測でも、約10nmol/molのモル分率でメタンの存在が確認されました。
火星のメタンは、太陽からの紫外線や他の化学反応によって比較的短時間で分解されるため、現在大気中に存在するためには何らかの継続的な供給源が必要です。現在の光化学モデルでは、観測されているメタンの急速な生成や消滅、そして空間的・時間的な濃度差を十分に説明できていません。隕石が火星大気に突入する際に放出されるメタンが供給源だという仮説も提案されましたが、この方法で供給されるメタンの量は、観測される濃度を維持するには少なすぎることが示されています。
メタンは特定の地域から噴出していると考えられており、統計データは3つの主要な領域を示唆しています。北半球の真夏には、最大の噴出源から19,000トンのメタンが放出され、毎秒0.6kgが大気中に供給されていると推定されています。また、北緯30度西経260度と北緯0度西経310度にも噴出源があり、年間供給量は合わせて270トンになると示唆されています。
研究によると、火星のメタンが破壊されるまでの寿命は、短い場合で0.6地球年、長い場合でも4地球年と考えられています。この比較的短い寿命は、大気循環によってメタンの地域的な濃度差が解消されるよりも短いことを意味します。いずれの場合も、メタンの破壊速度は、紫外線による光化学分解のみを考慮した場合の推定 timescales（最大350年）と比べて非常に速いことを示唆しています。この説明のつかない急速な分解は、光化学過程よりも100倍から600倍も効率の良い、別の除去メカニズムが火星大気に存在することを示唆しています。このような急速な分解があるということは、供給源も非常に活発でなければならないことを意味します。可能性の一つとして、メタンは実際には分解されておらず、季節によってクラスレート（包接水和物）から蒸発したり、固体化したりしているだけではないかという説も考えられています。
メタンの生成が地質学的過程に起因する場合も考えられますが、現在の火星には活発な火山活動や熱水噴出孔の活動が見られないため、地質学的な説明だけでは不十分です。メタン菌のような生きた微生物の存在も可能性として挙げられますが、現在火星のどこかに生命が存在するという確固たる証拠は得られていません。ロシアのロスコスモスと欧州宇宙機関（ESA）は、これらの仮説に伴って放出される可能性のある他のガスを探索する計画を進めています。地球では、生物によるメタン生成はエタンの放出を伴いますが、火山性のメタン生成は二酸化硫黄を伴います。
火星のメタン起源の最も有力な候補は、生命活動ではない非生物学的過程です。これには、水と岩石の反応、水の放射線分解、黄鉄鉱の形成などが含まれ、これらの過程で発生した水素が、一酸化炭素や二酸化炭素とフィッシャー・トロプシュ法を通じて反応してメタンを生成するというものです。近年では、火星に豊富に存在する水、二酸化炭素、そしてカンラン石からメタンが生成されることが実験で示されています。この反応に必要な高温高圧条件は火星の地表にはありませんが、地殻内部には存在する可能性があります。この過程が実際に起きていることを裏付けるために、この反応の副産物である蛇紋岩の検出が試みられています。もう一つの可能性として、メタンが水と結合してできた包接水和物の形で地殻内に存在し、それが放出されるという説もあります。
ESAの観測では、火星大気中のメタンの分布が不均一であり、水蒸気の分布域と一致していることが分かりました。大気上層ではこれらのガスは比較的均一に分布していますが、地表近くではアラビア大陸、エリシウム平原、アルカディアと呼ばれる3つの赤道域に集中しています。惑星科学者のデヴィッド・グリンスプーン氏は、水蒸気とメタンの分布の一致は、メタンが生物起源である可能性を高めるものだと考えていますが、火星のような厳しい環境で生命が長期間生き残ってきた方法は依然として大きな謎だと述べています。初期の生命は、隕石塵、紫外線、太陽フレア、高エネルギー粒子などから身を守るために、洞窟のような天然の構造に隠れていた可能性が考えられています。
一方で、エイムズ研究センターの惑星科学者ケヴィン・ザーンレ氏らの研究は、「火星にメタンが存在するという確証は得られていない」と結論付けています。彼らは、これまでのメタン観測の報告は、地球大気中のメタンによる干渉の周波数である可能性が排除できず、信頼性に欠けると主張しています。さらに、メタンを検出したとされる観測結果の多くは、火星にメタンが存在しないという前提でも矛盾なく説明できると述べています。
火星のメタンの起源を最終的に特定するには、将来的に質量分析器を搭載した探査機や着陸機を火星に送る必要があります。地球におけるメタンの起源探査では、異なる同位体置換体の測定は地質学的起源か生物学的起源かを区別するのに必ずしも必要ではなく、エタンのような共生成気体の存在量を測定することが重要であることが明らかになっています。エタンとメタンの比率が0.001以下であれば生物学的起源の可能性が高く、それ以外の起源の場合はほぼ同量のエタンが生成される傾向があります。2012年6月には、火星における水素とメタンの存在量比を測定することが、火星に生命が存在するかどうかの判断に役立つという報告がありました。この科学者によると、約40以下の小さな水素/メタン比率は生命の存在を示唆する可能性があるとのことです。また、別の科学者は最近、地球外大気中の水素とメタンを検出するための新しい手法を発表しています。
2012年8月に火星に到着したNASAのキュリオシティ・ローバーは、メタンの同位体組成を分析する能力を持っていますが、たとえこのミッションでメタンの起源が微生物によるものだと特定されたとしても、その生物がローバーの到達できない地下深くに生息している可能性も考えられます。キュリオシティによる初期のレーザー分光計での測定結果では、着陸地点のメタン濃度は5ppb以下という低い値を示していました。2016年に打ち上げられたマーズ・トレース・ガス・オービター（TGO）は、火星のメタンとその分解生成物であるホルムアルデヒドやメタノールなどについて、さらに詳細な分析を行う計画です。
火星では、しばしば大規模な砂嵐（ダストストーム）が発生し、惑星全体を覆うこともあります。
火星大気は、火星上のどの着陸地点でも利用可能な、成分が既知の資源となり得ます。将来の有人火星探査計画では、火星大気中の二酸化炭素を、地球へ帰還するためのロケット燃料として利用することが提案されています。このような大気を利用するミッションの例としては、ロバート・ズブリン氏が提唱するマーズ・ダイレクト計画や、NASAのDesign Reference Mission 3.0などがあります。二酸化炭素から燃料を生成するために必要となる主な化学反応は、二酸化炭素と水素からメタンと酸素を生成する「サバティエ反応」と、酸化ジルコニアを用いて二酸化炭素を酸素と一酸化炭素に電気分解する手法です。
火星の夕日は、大気中の塵が光を散乱するため、青みを帯びることが知られています。
火星の地表における平均的な気圧は750パスカルで、これは地球の海面気圧（約101.3キロパスカル）の約0.75%に過ぎません。金星の平均気圧（約9.3メガパスカル）と比較すると、その差はさらに大きく、わずか0.0065%程度です。標高によって気圧は大きく変動し、最も高いオリンポス山の山頂では30パスカル程度、最も低いヘラス平原の深部では1,155パスカルに達します。大気の総質量も地球の5148テラトンに対し、火星はわずか25テラトンと圧倒的に少ない量です。しかし、大気の高度方向への広がりを示すスケールハイトは約11kmと、地球の約6kmよりも大きくなっています。火星大気の具体的な組成は、二酸化炭素が約95%、窒素が約3%、アルゴンが約1.6%を占め、その他に酸素、一酸化炭素、水、メタンなどが微量に含まれています。平均的なモル質量は約43.34g/molです。大気中には多くの塵が浮遊しており、地表から見上げる空は明るい茶色やオレンジ色に見えます。探査機マーズ・エクスプロレーション・ローバーの観測からは、浮遊する塵の粒子がおよそ1.5マイクロメートルの直径を持つことが示唆されています。
大気の歴史
過去数十億年前、火星にかつて広大な海が存在した可能性を示す証拠が見つかっていることから、火星の大気は長い時間をかけて大きく変化してきたと考えられています。現在の火星の地表気圧は低く、水が液体として安定して存在できる三重点（611パスカル）を超えるのは比較的標高の低い地域のみです。高い地域では水は固体（氷）か気体（水蒸気）としてしか存在できません。また、現在の地表平均気温は210K（-63℃）以下であり、水が液体として存在するのに必要な温度よりもはるかに低い環境です。それでも、火星の歴史の初期には、地表に液体の水が存在し得る条件が整っていたと考えられています。
かつてはより濃密だった火星大気が失われた理由として、いくつかの仮説が提唱されています。
火星の磁場が不安定だったため、太陽風によって大気が徐々に宇宙空間へ剥ぎ取られた。
大気を大部分吹き飛ばしてしまうほどの大規模な天体衝突が発生した。
火星の質量が小さいために、大気分子が宇宙空間へ逃げやすかった。
大気の構造
火星大気は、いくつかの層に分かれています。
低層大気: 地表に浮遊する塵や土壌から伝わる熱の影響で比較的暖かい領域です。
中層大気: 地球のジェット気流に類似した、火星のジェットストリームが吹く領域とされています。
高層大気（熱圏）: 太陽からの熱エネルギーによって温度が非常に高くなり、個々の気体分子が分離し始める領域です。
* 外気圏: 高度200kmよりも上空の領域で、徐々に宇宙の真空へとつながりますが、明確な境界線はありません。
主要な大気成分
二酸化炭素
火星大気の主成分である二酸化炭素は、火星の気候に大きな影響を与えます。冬になると、その半球の極域は太陽光が当たらなくなり、大気中の二酸化炭素の約25%が固体（ドライアイス）として極冠を形成します。夏になり極域が再び太陽に照らされると、この固体の二酸化炭素は昇華して再び大気中に戻ります。この固体化と昇華のサイクルは、火星の年間を通じた大気圧の変動や、極周辺の大気組成の変化の主な要因となります。
アルゴン
火星大気には、太陽系内の他の惑星大気と比較して、比較的多くの希ガスであるアルゴンが含まれています。二酸化炭素のように凝固して大気から除去されることがないため、大気中に存在するアルゴンの総量は年間を通じて一定です。しかし、二酸化炭素が極冠と大気の間で移動することで、アルゴンの相対的な存在比率は場所によって変動する可能性があります。近年の人工衛星による観測データからは、南半球の秋には南極周辺の大気中のアルゴン濃度が上昇し、春には減少するという季節的なパターンが示されています。
水
火星大気中の水の存在量は、時間とともに大きく変動します。夏に極冠の二酸化炭素が昇華する際に、微量の水も大気中に放出されます。極域では時速400kmにも達する季節風が吹き、大量の塵や水蒸気を運び、地球で見られるような霜や巻雲を発生させます。このような氷の雲は、2004年に探査機オポチュニティによって撮影されました。2008年7月には、探査機フェニックスのチームが火星の北極域の地下に水の氷が存在することを正式に確認しました。フェニックスによるその後の分析で、この水がかつて液体だったのか、あるいは生命に不可欠な有機物を含んでいるのかなどが詳しく調べられる予定でした。
メタン
火星大気中に数ppb（10億分の数個）という非常に低い濃度でメタンが存在することは、2003年にゴダード宇宙飛行センターの科学者によって初めて報告されました。翌2004年3月には、マーズ・エクスプレス・オービターやカナダ・フランス・ハワイ望遠鏡による観測でも、約10nmol/molのモル分率でメタンの存在が確認されました。
火星のメタンは、太陽からの紫外線や他の化学反応によって比較的短時間で分解されるため、現在大気中に存在するためには何らかの継続的な供給源が必要です。現在の光化学モデルでは、観測されているメタンの急速な生成や消滅、そして空間的・時間的な濃度差を十分に説明できていません。隕石が火星大気に突入する際に放出されるメタンが供給源だという仮説も提案されましたが、この方法で供給されるメタンの量は、観測される濃度を維持するには少なすぎることが示されています。
メタンは特定の地域から噴出していると考えられており、統計データは3つの主要な領域を示唆しています。北半球の真夏には、最大の噴出源から19,000トンのメタンが放出され、毎秒0.6kgが大気中に供給されていると推定されています。また、北緯30度西経260度と北緯0度西経310度にも噴出源があり、年間供給量は合わせて270トンになると示唆されています。
研究によると、火星のメタンが破壊されるまでの寿命は、短い場合で0.6地球年、長い場合でも4地球年と考えられています。この比較的短い寿命は、大気循環によってメタンの地域的な濃度差が解消されるよりも短いことを意味します。いずれの場合も、メタンの破壊速度は、紫外線による光化学分解のみを考慮した場合の推定 timescales（最大350年）と比べて非常に速いことを示唆しています。この説明のつかない急速な分解は、光化学過程よりも100倍から600倍も効率の良い、別の除去メカニズムが火星大気に存在することを示唆しています。このような急速な分解があるということは、供給源も非常に活発でなければならないことを意味します。可能性の一つとして、メタンは実際には分解されておらず、季節によってクラスレート（包接水和物）から蒸発したり、固体化したりしているだけではないかという説も考えられています。
メタンの生成が地質学的過程に起因する場合も考えられますが、現在の火星には活発な火山活動や熱水噴出孔の活動が見られないため、地質学的な説明だけでは不十分です。メタン菌のような生きた微生物の存在も可能性として挙げられますが、現在火星のどこかに生命が存在するという確固たる証拠は得られていません。ロシアのロスコスモスと欧州宇宙機関（ESA）は、これらの仮説に伴って放出される可能性のある他のガスを探索する計画を進めています。地球では、生物によるメタン生成はエタンの放出を伴いますが、火山性のメタン生成は二酸化硫黄を伴います。
火星のメタン起源の最も有力な候補は、生命活動ではない非生物学的過程です。これには、水と岩石の反応、水の放射線分解、黄鉄鉱の形成などが含まれ、これらの過程で発生した水素が、一酸化炭素や二酸化炭素とフィッシャー・トロプシュ法を通じて反応してメタンを生成するというものです。近年では、火星に豊富に存在する水、二酸化炭素、そしてカンラン石からメタンが生成されることが実験で示されています。この反応に必要な高温高圧条件は火星の地表にはありませんが、地殻内部には存在する可能性があります。この過程が実際に起きていることを裏付けるために、この反応の副産物である蛇紋岩の検出が試みられています。もう一つの可能性として、メタンが水と結合してできた包接水和物の形で地殻内に存在し、それが放出されるという説もあります。
ESAの観測では、火星大気中のメタンの分布が不均一であり、水蒸気の分布域と一致していることが分かりました。大気上層ではこれらのガスは比較的均一に分布していますが、地表近くではアラビア大陸、エリシウム平原、アルカディアと呼ばれる3つの赤道域に集中しています。惑星科学者のデヴィッド・グリンスプーン氏は、水蒸気とメタンの分布の一致は、メタンが生物起源である可能性を高めるものだと考えていますが、火星のような厳しい環境で生命が長期間生き残ってきた方法は依然として大きな謎だと述べています。初期の生命は、隕石塵、紫外線、太陽フレア、高エネルギー粒子などから身を守るために、洞窟のような天然の構造に隠れていた可能性が考えられています。
一方で、エイムズ研究センターの惑星科学者ケヴィン・ザーンレ氏らの研究は、「火星にメタンが存在するという確証は得られていない」と結論付けています。彼らは、これまでのメタン観測の報告は、地球大気中のメタンによる干渉の周波数である可能性が排除できず、信頼性に欠けると主張しています。さらに、メタンを検出したとされる観測結果の多くは、火星にメタンが存在しないという前提でも矛盾なく説明できると述べています。
火星のメタンの起源を最終的に特定するには、将来的に質量分析器を搭載した探査機や着陸機を火星に送る必要があります。地球におけるメタンの起源探査では、異なる同位体置換体の測定は地質学的起源か生物学的起源かを区別するのに必ずしも必要ではなく、エタンのような共生成気体の存在量を測定することが重要であることが明らかになっています。エタンとメタンの比率が0.001以下であれば生物学的起源の可能性が高く、それ以外の起源の場合はほぼ同量のエタンが生成される傾向があります。2012年6月には、火星における水素とメタンの存在量比を測定することが、火星に生命が存在するかどうかの判断に役立つという報告がありました。この科学者によると、約40以下の小さな水素/メタン比率は生命の存在を示唆する可能性があるとのことです。また、別の科学者は最近、地球外大気中の水素とメタンを検出するための新しい手法を発表しています。
2012年8月に火星に到着したNASAのキュリオシティ・ローバーは、メタンの同位体組成を分析する能力を持っていますが、たとえこのミッションでメタンの起源が微生物によるものだと特定されたとしても、その生物がローバーの到達できない地下深くに生息している可能性も考えられます。キュリオシティによる初期のレーザー分光計での測定結果では、着陸地点のメタン濃度は5ppb以下という低い値を示していました。2016年に打ち上げられたマーズ・トレース・ガス・オービター（TGO）は、火星のメタンとその分解生成物であるホルムアルデヒドやメタノールなどについて、さらに詳細な分析を行う計画です。
特徴的な現象：砂嵐
火星では、しばしば大規模な砂嵐（ダストストーム）が発生し、惑星全体を覆うこともあります。
人間による利用の可能性
火星大気は、火星上のどの着陸地点でも利用可能な、成分が既知の資源となり得ます。将来の有人火星探査計画では、火星大気中の二酸化炭素を、地球へ帰還するためのロケット燃料として利用することが提案されています。このような大気を利用するミッションの例としては、ロバート・ズブリン氏が提唱するマーズ・ダイレクト計画や、NASAのDesign Reference Mission 3.0などがあります。二酸化炭素から燃料を生成するために必要となる主な化学反応は、二酸化炭素と水素からメタンと酸素を生成する「サバティエ反応」と、酸化ジルコニアを用いて二酸化炭素を酸素と一酸化炭素に電気分解する手法です。
火星の夕日は、大気中の塵が光を散乱するため、青みを帯びることが知られています。
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