火星曾與地球如此相像，那水都去哪里了？天文學(xué)家給出答案

新數(shù)據(jù)找到火星水消失的秘密

火星的北極圈，由宇航局火星軌道勘探飛行器拍攝（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/MSSS）

火星以其稀薄的大氣層而聞名，其中二氧化碳占據(jù)主導(dǎo)地位，并為火星提供了大部分的大氣質(zhì)量和壓力。事實(shí)上，這種壓力與地球平流層中的壓力相似。而平流層是大氣層的一層，位于地表以上30多公里處。

但是水呢？目前在火星表面發(fā)現(xiàn)的水是北極的一層冰——大概幾公里厚。它在一年中最冷的時(shí)候也表現(xiàn)為季節(jié)性霜凍，在大氣中表現(xiàn)為蒸汽和冰。然而，與地球相比，火星大氣非常干燥，水量少了大約100倍。雖然地球上的降水會形成幾厘米厚的水層，但沉淀在火星上的水只會形成不到一毫米的薄膜。

如今，新數(shù)據(jù)解釋了火星上（幾乎）沒有水的原因。

水從火星大氣中逸出

有證據(jù)表明，火星并不一直是我們今天觀察到的寒冷、干旱的星球。在遙遠(yuǎn)的過去——大約40億年前，有大量證據(jù)表明火星表面存在水。那時(shí)，液態(tài)水在大溪流中流動，并以水池或湖泊的形式停滯不前，例如毅力號火星車探索的杰澤羅隕石坑中，可以找到那時(shí)水的蹤跡。

杰澤羅隕石坑，毅力號于2021年2月拍攝，在遙遠(yuǎn)的過去它曾是一個(gè)湖泊。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

能夠讓液態(tài)水循環(huán)，并留下這些痕跡，水一定在地表停留了足夠長的時(shí)間，火星上也肯定存在與我們今天看到的完全不同的氣候?；鹦?、地球和金星很可能是由相同的基本物質(zhì)逐漸積累形成的，這意味著它們在歷史早期一定有很大的相似之處。但是，雖然地球和金星保留了大部分厚厚的大氣層，但火星由于體積小和重力低，已經(jīng)失去了大部分大氣層。

這種“氣體向太空流失”的說法有助于解釋目前火星大氣層的脆弱性。這種損失發(fā)生在大氣中非常高的地方，超過了200公里。那里的分子已經(jīng)分解成原子，而像氫這樣最輕的分子，由于火星的引力微弱，很容易被撕裂，進(jìn)而暴露在太陽風(fēng)的高能粒子下，火星的外逸層（大氣層的上層）使得相當(dāng)于今天數(shù)百個(gè)大氣層的大氣流失到太空中。

新數(shù)據(jù)

發(fā)表在《自然天文學(xué)》雜志上的一篇文章揭示了水流失到太空背后的微妙機(jī)制，這一數(shù)據(jù)來自歐空局微量氣體軌道飛行器任務(wù)。

火星水具有非常特殊的化學(xué)成分。水有不同的“同位素”——在半重水HDO中，一個(gè)氫原子可以被一個(gè)氘（D）原子取代。氘原子的重量是氫的兩倍，它的原子核中除了質(zhì)子外，還有一個(gè)稱為中子的粒子。追溯到1980年代的測量數(shù)據(jù)表明，火星水的氘相對濃度是地球上的六倍。這是因?yàn)闅涞膿p失導(dǎo)致了較重同位素的留存。

通過推測，火星上最初的水量肯定是現(xiàn)在的六倍，相當(dāng)于覆蓋了大約100米厚的液體層。半重水的這一比例有助于我們了解火星的年輕狀態(tài)，也許火星曾經(jīng)擁有溫暖潮濕的氣候。這一假設(shè)是火星可居住性的先決條件。

微量氣體軌道器獲得的這些結(jié)果可以告訴我們，低層大氣中的水和半重水是如何到達(dá)高層大氣，并分解成可以逃逸到太空的原子的。最特別的是，它還可以告訴我們更多關(guān)于氫和氘進(jìn)入外逸層的中間過程。

在過去的20年中，有兩種理論表明氫和氘無法像在低層大氣水分子中那樣到達(dá)外逸層。然而，可以實(shí)現(xiàn)它的中間過程有兩個(gè)：一是冷凝（水蒸氣變成液態(tài)水）形成火星水冰云；二是光解，在紫外線的作用下可以分解水分子，并釋放氫或氘原子。

最近的研究揭示，冷凝實(shí)際上在逸散層的氘含量中起次要作用。借助火星微量氣體探測軌道衛(wèi)星的大氣化學(xué)套件儀器及其對H20和HDO的同時(shí)測量，我們能夠展示氫和氘原子的來源。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)檫@些原子所處的時(shí)間和空間使得冷凝沒有機(jī)會干擾光解。

事實(shí)證明，光解是氫氚原子進(jìn)入外逸層的主要過程：它產(chǎn)生了大部分原子，并決定了從火星高層大氣中逸出的氫原子同位素分餾。

這種對導(dǎo)致水流失到太空過程的新認(rèn)識是追溯火星水歷史的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。只有微量氣體軌道器衛(wèi)星能夠揭示H2O和HDO的聯(lián)合濃度。但宇航局衛(wèi)星MAVEN能夠觀察和描述外逸層中的氫和氘種群。

這兩項(xiàng)任務(wù)的共同作用開拓了一條新的研究領(lǐng)域，它為科學(xué)家描述火星上水的完整路徑——從低層大氣到最高層大氣，再到太空——提供了思路。只有詳細(xì)了解這條路徑，科學(xué)家才能揭示火星過去數(shù)十億年的水歷史，并證實(shí)火星過去的可居住性。

BY:Frank Montmessin

FY:董美慧

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