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火星曾与地球如此相像,那水都去哪里了?天文学家给出答案

为什么火星上的水这么少?

新数据找到火星水消失的秘密

火星曾与地球如此相像,那水都去哪里了?天文学家给出答案

火星的北极圈,由美国宇航局火星轨道勘探飞行器拍摄(图片来源:NASA/JPL-Caltech/MSSS)

火星以其稀薄的大气层而闻名,其中二氧化碳占据主导地位,并为火星提供了大部分的大气质量和压力。事实上,这种压力与地球平流层中的压力相似。而平流层是大气层的一层,位于地表以上30多公里处。

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但是水呢?目前在火星表面发现的水是北极的一层冰——大概几公里厚。它在一年中最冷的时候也表现为季节性霜冻,在大气中表现为蒸汽和冰。然而,与地球相比,火星大气非常干燥,水量少了大约100倍。虽然地球上的降水会形成几厘米厚的水层,但沉淀在火星上的水只会形成不到一毫米的薄膜。

如今,新数据解释了火星上(几乎)没有水的原因。

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水从火星大气中逸出

有证据表明,火星并不一直是我们今天观察到的寒冷、干旱的星球。在遥远的过去——大约40亿年前,有大量证据表明火星表面存在水。那时,液态水在大溪流中流动,并以水池或湖泊的形式停滞不前,例如毅力号火星车探索的杰泽罗陨石坑中,可以找到那时水的踪迹。

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杰泽罗陨石坑,毅力号于2021年2月拍摄,在遥远的过去它曾是一个湖泊。(图片来源:NASA/JPL-Caltech)

能够让液态水循环,并留下这些痕迹,水一定在地表停留了足够长的时间,火星上也肯定存在与我们今天看到的完全不同的气候。火星、地球和金星很可能是由相同的基本物质逐渐积累形成的,这意味着它们在历史早期一定有很大的相似之处。但是,虽然地球和金星保留了大部分厚厚的大气层,但火星由于体积小和重力低,已经失去了大部分大气层。

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这种“气体向太空流失”的说法有助于解释目前火星大气层的脆弱性。这种损失发生在大气中非常高的地方,超过了200公里。那里的分子已经分解成原子,而像氢这样最轻的分子,由于火星的引力微弱,很容易被撕裂,进而暴露在太阳风的高能粒子下,火星的外逸层(大气层的上层)使得相当于今天数百个大气层的大气流失到太空中。

新数据

发表在《自然天文学》杂志上的一篇文章揭示了水流失到太空背后的微妙机制,这一数据来自欧空局微量气体轨道飞行器任务。

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火星水具有非常特殊的化学成分。水有不同的“同位素”——在半重水HDO中,一个氢原子可以被一个氘(D)原子取代。氘原子的重量是氢的两倍,它的原子核中除了质子外,还有一个称为中子的粒子。追溯到1980年代的测量数据表明,火星水的氘相对浓度是地球上的六倍。这是因为氢的损失导致了较重同位素的留存。

通过推测,火星上最初的水量肯定是现在的六倍,相当于覆盖了大约100米厚的液体层。半重水的这一比例有助于我们了解火星的年轻状态,也许火星曾经拥有温暖潮湿的气候。这一假设是火星可居住性的先决条件。

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微量气体轨道器获得的这些结果可以告诉我们,低层大气中的水和半重水是如何到达高层大气,并分解成可以逃逸到太空的原子的。最特别的是,它还可以告诉我们更多关于氢和氘进入外逸层的中间过程。

在过去的20年中,有两种理论表明氢和氘无法像在低层大气水分子中那样到达外逸层。然而,可以实现它的中间过程有两个:一是冷凝(水蒸气变成液态水)形成火星水冰云;二是光解,在紫外线的作用下可以分解水分子,并释放氢或氘原子。

最近的研究揭示,冷凝实际上在逸散层的氘含量中起次要作用。借助火星微量气体探测轨道卫星的大气化学套件仪器及其对H20和HDO的同时测量,我们能够展示氢和氘原子的来源。这一点尤为重要,因为这些原子所处的时间和空间使得冷凝没有机会干扰光解。

事实证明,光解是氢氚原子进入外逸层的主要过程:它产生了大部分原子,并决定了从火星高层大气中逸出的氢原子同位素分馏。

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这种对导致水流失到太空过程的新认识是追溯火星水历史的一个关键里程碑。只有微量气体轨道器卫星能够揭示H2O和HDO的联合浓度。但美国宇航局卫星MAVEN能够观察和描述外逸层中的氢和氘种群。

这两项任务的共同作用开拓了一条新的研究领域,它为科学家描述火星上水的完整路径——从低层大气到最高层大气,再到太空——提供了思路。只有详细了解这条路径,科学家才能揭示火星过去数十亿年的水历史,并证实火星过去的可居住性。

BY:Frank Montmessin

FY:董美慧

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