火星是如何失去大氣和水的？

火星在形成之初，便已不再有磁場存在。

其后，由于太陽的紫外線光子以及太陽風的驅動，火星上的大氣和水逐漸消失在太空中。

今天的火星是一個寒冷干燥的星球。它的平均溫度比水的冰點還要低50 K。并且火星上的大氣太過稀薄，水無法以液體的形式存在。然而，地質證據表明，古代火星表面存在豐富的液態(tài)水。這顆行星表面的特征告訴我們，在火星歷史的早期，曾經有河流、溪流和海岸線存在（見圖1）。

在那時的火星表面，陽光比現在要弱30%。這說明，當時一定存在可以使火星表面變暖的極厚的溫室大氣。二氧化碳占現在大氣總量的96%，雖然它可能并不是火星上唯一的溫室氣體，但它應該是造成溫室效應的最主要因素。較早的極厚大氣中的二氧化碳都去了哪里？塑造河床、侵蝕地表的水去哪兒了？水和二氧化碳能否重新回到大氣中并使得火星再次變暖？

大氣中的二氧化碳的壓強只要能達到幾個巴，就可以將溫度提高到冰的熔點。而火星最初時的壓強可能多達20個巴。作為對比，地球表面的總大氣壓約為1巴。火星的含水量可以用全球等效水層（GEL）表示。如果所有水都以液體形式均勻分布于行星表面，則水的深度即為GEL。可觀測到的火星形態(tài)特征表明，火星至少具有50米的GEL。水也可能以地下水或冰的形式存在于地殼中，其數量足以使得GEL升高近一個數量級，即火星的GEL應有500米。而如果地球上的水遍布整個地表，將形成大約2公里厚的水層。

火星大氣與揮發(fā)物演化任務

行星失去表面的水和二氧化碳的方式有兩種。太陽及其太陽風可以將大氣頂部的水蒸氣和氣態(tài)二氧化碳帶入太空。這兩種化合物也可以擴散到地下，與地殼物質反應，形成富含二氧化碳和水的礦物。

自 2014 年以來，火星大氣與揮發(fā)物演化任務（MAVEN）的航天器一直在跟蹤探測火星大氣的剝離情況。盡管如今大氣正在以大約2～3千克/秒的速度流失氣體，但在火星的早期歷史上，當太陽的極端紫外線和太陽風更加強烈時，大氣流失的速度要比這高得多。通過觀察目前的流失過程，并結合太陽的歷史，行星科學家可以推算出之前的損失率，并估算得到總損失量隨時間的變化。

他們利用觀測到的較重的穩(wěn)定同位素對，比如D/H、13C/12C、15N/14N、38Ar/36Ar，來推斷每種氣體的損失比例。一般而言，較輕的同位素更容易流失到太空中，并留下更高濃度的較重同位素。

科學家對氫、氧和碳的流失情況很感興趣，因為它們與水和二氧化碳密切相關。例如，使用MAVEN和其他一些航天器的測量結果，研究人員可以對氫原子進行跟蹤，無論是低層大氣中的水蒸氣，還是從高層大氣延伸到至少 10個火星半徑的日冕，都可以探測到氫原子的流失蹤跡。

根據推斷，氫的損失率的差異在整個火星一個周期的季節(jié)變化中，可以達到一個數量級。這種變化是因為近日點附近大氣塵埃增加，導致溫度升高，使得水可以被帶到更高的高度從而更容易逸出。通過研究損失率隨時間的變化，科學家們發(fā)現，火星上可能已有超過25米GEL的水損失到了太空中。

由于氧的來源可能是二氧化碳或水，科學家們還可以追蹤氧的流失情況。氧氣可以作為離子從高層大氣中流失，也可以通過二氧化碳或水的光化學過程的分解流失出去。碳則更難追蹤，但研究人員可以根據13C/12C同位素比、估測的氧損失率、光解離作用和一氧化碳損失率來估計碳的損失總量。這些途徑會導致二氧化碳的綜合損失量至少為1～2巴。

行星發(fā)電機制、化學反應和兩極

行星科學家認為，在火星歷史的早期，太陽紫外線的輻射強度很高，氫的損失率比現在要大得多。太陽風對碳和氧的剝離開始于大約41億年前，從那時起，火星磁場由于行星發(fā)電機制的消失而不復存在，大氣便開始持續(xù)受到太陽風的沖擊。

二氧化碳可以與礦物反應，在地殼中形成含碳礦物。在火星的地表物質、暴露于地表的埋層物質以及地球上發(fā)現的火星隕石中都探測到了這些礦物。地表碳酸鹽所含二氧化碳的量表明，那時二氧化碳在大氣中的壓強為幾十毫巴。埋于更深處的碳酸鹽可以容納1巴的二氧化碳，但由于可探測到的地點很少，其豐度難以量化。

目前，火星上的水凝固于極冠和中高緯度的地冰當中，其中含有大約20至30米GEL的水。軌道上的航天器通過光譜可以識別出表面水合礦物中結合的水，這部分的量可能更多。

科學家們可以通過這些數據來估計隱藏在地表下的礦物質中的水，但得出的結果存在很大的不確定性。火星總儲水量可能在130～260米GEL，但理論上的水量上限可能超過500 米。從少量暴露于表面的礦物中預測全球的儲水量是十分困難的一件事，這是不確定性如此之大的原因。

顯然，二氧化碳從大氣中轉移到太空和地殼的過程可以用來解釋早期大氣的損失。但水流失的歷史要更為復雜。除了流失到太空和地殼之外，水還會在洪水出現時被釋放到地表。這些水最終會隨著時間的推移而蒸發(fā)或滲入地殼，而火山物質又會將水以氣體的形式再次釋放出來。來自極地冰蓋的水有可能通過大氣層，與中緯度地區(qū)的地冰進行交換，或在另一極重新凝固。在上述的各種情形中，參與其中的水的總量都難以量化。然而，對于是什么導致了火星上的氣候和水量不斷變化這個問題，盡管存在不確定性，科學家們依然可以得到相對一致的答案。

固定于地殼中的二氧化碳能否重新回到火星的大氣層中？如果有可能，溫室效應就可以在這顆行星上再次出現，從而提高火星表面的溫度，并釋放出液態(tài)水。不過，火星上的大部分二氧化碳均勻分布于全球范圍內的各處，因此需要對整個星球進行露天開采和加工才能令其釋放。

請不要放棄希望。想象一下，我們還可以在火星上人為制造出優(yōu)良高效的溫室氣體，從會產生巨大的溫室效應。或許，真的會有那么一天。

資料來源 Physics Today

本文作者布魯斯·雅科斯基（Bruce Jakosky）是科羅拉多大學博爾德分校的地質學教授，也是大氣與空間物理實驗室的副主任。18 年來，他一直是美國宇航局火星大氣與揮發(fā)物演化任務的首席研究員。