好奇号找到了火星上古老的冰雪覆盖湖泊的证据

研究人员利用火星样品分析（SAM）仪器上有关NASA漫游者“好奇号”的数据，发现在好奇号正在探索的150公里宽的古盆地盖尔火山口的岩石中，可能形成了某些矿物质。湖夹在较暖的时期之间的寒冷阶段，或者在火星失去大部分大气并开始永久变冷之后。他们的发现发表在《自然天文学》杂志上。

大风火山口的直径为155公里，现在拥有一座比火山口地面高约5公里的分层山。此图描绘了一个部分填满火山口的水湖。图片来源：NASA / JPL-Caltech / ASU / UA / Sci-News.com。

大风火山口被选为“好奇号” 2012年的着陆点，因为它有过去的水迹，包括粘土矿物质。确实，在探查位于火山口中心的一座山-夏普山的底部时，这辆漫游者发现了304米厚的沉积物层，这些沉积物以泥浆的形式沉积在古代湖泊中。为了形成这么多的沉积物，数百万至数千万的温暖湿润年间，大量的水会流入这些湖泊。但是，火山口的某些地质特征也暗示了过去的寒冷条件。

“在某个时刻，火星的地表环境必须经历了从现在的温暖潮湿转变为寒冷干燥的时刻，但是确切的发生时间和方式仍然是个谜，” Heather Franz博士说

“诸如火星倾角变化和火山活动量之类的因素可能导致火星气候随时间在暖和冷之间交替变化，火星岩石的化学和矿物学变化支持了这一思想，表明某些层是在较冷的环境中形成的，而另一些是在较热的环境中形成的。”

Franz博士及其同事在SAM 从13个尘埃和岩石样品中提取了二氧化碳和氧气后发现了一个寒冷的古代环境的证据。在好奇号将岩石和灰尘样品送入SAM之后，实验室将每个样品加热到900摄氏度，以释放内部的气体，通过查看烤箱中释放出二氧化碳和氧气的温度，科学家可以判断出气体是来自哪种矿物，这类信息有助于他们了解碳在火星上的循环过程。

各种研究表明，火星的古代大气层主要含有二氧化碳，可能比今天的地球还要厚，它的大部分已丢失到太空中，但有些可能以行星碳酸盐的形式储存在行星表面的岩石中，碳酸盐是由碳和氧制成的矿物，在地球上，当空气中的二氧化碳吸收到海洋和其他水域中，然后矿化成岩石时，就会生成碳酸盐，研究人员认为，同样的过程在火星上也发生过，它可以帮助解释火星上某些大气层发生了什么，然而，前往火星的任务尚未在地表发现足够的碳酸盐来支撑浓厚的大气层。

尽管如此，SAM确实检测到的少量碳酸盐通过其中存储的碳和氧的同位素揭示了有关火星气候的一些有趣现象，由于从岩石形成到生物活性的不同化学过程以不同比例使用这些同位素，因此岩石中重同位素与轻同位素的比率为科学家提供了有关岩石形成方式的线索。

在SAM发现的一些碳酸盐中，科学家注意到氧同位素比火星大气中的氧同位素轻，这表明碳酸盐不是很久以前就由吸收到湖泊中的大气中的二氧化碳形成的。如果有的话，岩石中的氧同位素将比空气中的氧同位素重一些，尽管碳酸盐可能是在火星历史的早期形成的，但当大气成分与今天有所不同时，弗朗兹博士和合著者建议，碳酸盐更有可能在冰冻的湖泊中形成。

在这种情况下，冰可能吸收了重度的氧同位素，然后留下最轻的氧同位素以形成碳酸盐。作者说：“火星上碳酸盐含量低，令人困惑。”“如果在大风火山口中没有太多这些矿物质，也许早期的大气层比预期的稀薄。也许还有其他原因正在储存缺失的大气碳。”根据他们的分析，研究人员认为某些碳可能被螯合在其他矿物中，例如草酸盐，草酸盐以不同于碳酸盐的形式存储碳和氧。

他们的假设是基于SAM内部一些样品释放二氧化碳的温度（碳酸盐的温度太低，而草酸盐的温度恰好），以及碳酸盐和氧的同位素比不同于科学家在碳酸盐中看到的比例。

H.B. Franz et al. 2020年根据大风火山口的碳和氧同位素推断出土著和外来有机物以及地表大气循环。4, 526-532; doi: 10.1038/s41550-019-0990-x

本文基于美国国家航空航天局提供的文本。

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