Question

为什么火星上只剩下这么少的水？

Answer 1

火星北极帽，由美国宇航局火星勘测轨道飞行器任务拍摄。 （图片）

火星以其稀薄的大气而闻名，其中二氧化碳占主导地位并提供大部分大气质量和压力。事实上，压力与地球平流层中的压力相似，平流层是一层大气层，位于地表上方 30 多公里处。

但是水呢？目前，在火星表面发现的水 是 位于北极的几公里厚的冰层。在一年中最冷的时候，它也表现为季节性霜冻，在大气中表现为水蒸气和冰。尽管如此，火星大气与地球相比非常干燥，含水量少了大约 100 倍。虽然地球上的降水会产生几厘米厚的水层，但在火星上沉淀的水只会形成不到一毫米的薄膜。

新数据 现在可以更好地理解为什么火星上（几乎）没有水。

证据表明，火星并不总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。当时，液态水在大溪流中流动并以水池或湖泊的形式停滞，例如在毅力号火星车 探索 的杰泽罗陨石坑中，寻找前世的踪迹。

毅力号于 2021 年 2 月登陆的 杰泽罗陨石坑 是遥远过去的一个湖泊。 （图片）

为了让液态水在地表循环并停留足够长的时间以留下这些痕迹，必须与我们今天看到的气候截然不同。火星、地球和金星很可能是由相同的基本材料逐渐积累而成的，这意味着它们在 历史 的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、重力低，已经失去了大部分大气层。

正是这种“气体流失到太空”有助于解释目前火星大气的脆弱性。这种损失发生在大气层中非常高，超过 200 公里，那里的分子已经分解成原子，而最轻的分子，如氢，可以从火星的微弱引力中脱离出来。暴露在太阳风的高能粒子下，火星的外逸层（大气层的上层）已经让相当于数百个现代大气层消失在太空中。

来自欧洲航天局微量气体轨道飞行器任务的新数据，揭示了水向太空流失背后的微妙机制。

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原子 (D) 取代。（它的重量是氢的两倍，因为除了原子核中的质子之外，它还有一个叫做中子的粒子。）追溯到 1980 年代的测量表明，火星上的水的氘相对浓度是地球上的六倍. 这被解释为氢损失的结果，逐渐留下较重的同位素。

通过外推，火星上最初的水量肯定至少是现在的六倍，相当于覆盖地球的约 100 米厚的液体层。这表明半重水比对于了解火星的年轻和阐明火星曾经拥有温暖潮湿气候的假设是多么重要，这是可居住的先决条件。

这些来自微量气体轨道飞行器的结果告诉我们低层大气中的水和半重水如何到达高层大气并分解成可以逃逸到太空的原子。特别是，它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 年里，有两种理论表明，氢和氘无法以它们在较低大气水分子中的比例到达外层。然而，可以实现它的中间过程是冷凝（水蒸气变成液态水），形成火星水冰云，以及光解，在紫外线的作用下分解水分子并释放氢或氘原子什么

我们最近的研究 表明的是，凝结实际上扮演的外逸层的氘含量的作用不大。由于痕量气体轨道飞行器的大气化学套件仪器及其对 H2O 和 HDO 的同步测量，我们能够显示氢和氘原子的来源。这一点尤其重要，因为它处于火星上一年中的海拔高度和时间，冷凝没有机会干扰光解。

事实证明，光解是主要过程：它产生大部分原子，并决定了从火星高层大气逸出的氢原子的同位素分馏。

对导致水向太空流失的过程的这种新理解是试图追踪火星上水的 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。但是 NASA 卫星 MAVEN 能够观察和表征外逸层中的氢和氘种群。

这两项任务的同时进行，带来了新的研究方向。它可以让科学家们描述火星上水的完整路径——从低层大气到高层大气再到太空。只有详细了解这条路径，科学家才能为过去几十亿年的水 历史 发展出可靠的情景，并证实火星过去的宜居性。