最新勘測揭示火星水少成因

眾所周知，火星大氣層稀薄，二氧化碳占主導地位，并存在一定大氣質量和氣壓。事實上，火星大氣壓與地球平流層氣壓十分類似，平流層是地球大氣中的一部分，距離地面30多公里。

令科學家感到迷惑不解的是，火星表面的水去哪了呢？目前，火星北極發現幾千米厚的冰層，在每年最冷時期，火星北極會出現季節性霜凍結構，同時大氣中的水分以蒸汽和冰的形式存在。然而，與地球相比，火星大氣極其干燥，水含量不足地球的百分之一，地球降水會在地面上形成幾厘米深的水層，而火星降水僅在表面形成不足1毫米的水膜。

隨著科學家近年來對火星展開深入探索分析，相繼獲得的發現讓人們對火星水產生深刻認識，但為什么迄今為止我們發現火星水資源仍較少呢？

水分從火星大氣中逸出

證據表明，火星遠古時期并非現今所觀察到的這樣寒冷、干旱，科學家推測，在遙遠的過去——大約40億年前，火星表面存在水。在那個時候，液態水以大溪流的形式流動，并以池塘或者湖泊的形式停滯，就像“毅力號”探測車為尋找歷史生命痕跡而展開探索的杰澤羅隕坑。

要使液態水在火星表面循環并停留足夠長的時間而產生這些痕跡，其氣候特征必然與當前我們看到的火星氣候完全不同。火星、地球和金星很可能是由相同的基本物質逐漸積累而成的，這意味著這幾顆行星在形成早期一定存在非常相似的特征。然而，現今它們存在較大的差異，地球和金星擁有密集的大氣層，由于火星體積小、重力低，現已失去大部分大氣層。

正是這種“氣體向太空流失”的理論有助于解釋火星大氣層當前的脆弱性，火星大氣水分流失發生在距離地球200千米的高空大氣，在那里大氣分子已分解成原子，像氫這樣最輕的分子可以脫離火星的弱引力作用，火星外逸層（大氣層頂端）暴露在太陽風的高能粒子輻射中，使相當于現今火星大氣層數百倍質量的水分逃逸至外太空。

最新數據或將揭曉其中的謎團

近期，歐洲航天局微量氣體軌道飛行器（TGO）任務的最新數據揭示了水流失至太空中的微妙機制。

火星水資源有一種非常特殊的化學成分，水有不同的“同位素”，例如：在半重水HDO中，一個氫原子可以被一個氘原子（D）取代，氘原子的重量是氫的兩倍，因為它的原子核中除了質子之外，還有一個叫作中子的粒子。早在20世紀80年代的測量數據顯示，火星水分的氘相對濃度是地球的6倍，科學家認為這是火星水失去氫的結果，當失去氫后，較重的氘同位素結合形成半重水。

依據科學推斷，火星早期的含水量是現今的6倍，相當于覆蓋地球表面大約100米厚的液體層。這暗示著半重水的比例對于洞察火星早期含水量，以及闡明火星遠古時期曾擁有溫暖潮濕氣候是非常重要的，該特征是適宜生命存活的先決條件。

微量氣體軌道飛行器的勘測結果告訴我們火星低層水氣中的水和半重水是如何到達高層大氣并分解成原子，然后最終逃逸至太空，特別是它將揭曉更多關于氫和氘進入外逸層的中間過程。

在過去20年里，有兩種理論認為，氫和氘到達外逸層的比例與它們在低大氣中水分子的比例不同，然而，能夠實現這一過程的中間環節是凝結（水蒸氣變成液態水），這形成了火星水冰層，以及光解作用。在紫外光照射作用下，光解作用分解水分子，并釋放出一個氫或者氘原子。

近期最新研究表明，實際上凝結過程對外逸層氘含量起到次要作用，基于微量氣體軌道飛行器的大氣化學分析儀器，以及對水和半重水的同步測量，能夠揭曉火星氫和氘原子的來源。考慮到火星海拔和季節特征，冷凝不會干擾光解作用，這一點非常重要。

結果表明，光解作用對于火星大氣水分逃逸起到主要作用，光解作用的主要環節是：產生大部分原子，并決定了從火星上層大氣逃逸的氫原子的同位素分離。

這項關于水流失至外太空過程的最新認識，是探索火星表面水循環歷史的一個重要里程碑，僅有微量氣體軌道飛行器能夠揭曉水和半重水的結合濃度，但是美國宇航局人造衛星MAVEN能夠觀察和描繪外逸層中的氫和氘。

最新研究對科學家帶來了新的探索方向，有助于科學家描述火星水資源完整的演變路徑——從低層大氣至高層大氣，再到外太空。只有對該路徑的詳細了解，才能讓科學家對幾十億年前火星水資源的歷史發展產生全面認識，并證實火星早期是否具備生命適宜性。