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人與自然

太陽用40億年把火星的大氣和海洋變沒了

  中評社北京4月10日電/無論是出於對地外生命的幻想,還是為了更好地了解我們的鄰居,火星總是匯聚著大量科學家和普通民眾的目光。與地球相比,這顆行星的大氣層顯得過於稀薄。火星大氣的96%都是二氧化碳,它的密度甚至不及地球大氣的1%。如此薄弱的保護層,營造出火星乾燥、嚴寒的環境,也杜絕了液態水大量存在的可能性。

  然而,隨著一顆顆探索火星的探測器陸續升空、大量火星表面的照片及采樣數據返回實驗室,我們逐漸發現,火星的氣候環境在46億年的演化歷程中發生過翻天覆地的變化。有明確證據表明,早期火星曾是一顆有著廣闊海洋的溫潤星球。伴隨這一結論而來的,是一系列關於火星的疑團。為什麼大量液態水可以存在於如此嚴苛的環境中?難道說,火星也曾擁有濃密大氣層的保護?如果這樣,火星的大氣層又是怎樣消失的?

  代替我們拜訪火星、尋找火星大氣演化線索的,是美國航空航天局的火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器。2013年11月,MAVEN探測器在從佛羅里達州升空。經過近一年的旅程,MAVEN進入火星軌道,在對火星高層大氣的探測過程中,逐步揭開了火星大氣的演化史。

  太陽風暴

  早期火星的大氣層究竟是什麼樣?我們無法給數十億年前的火星拍照,但通過捕捉現代火星大氣的逃逸過程,MAVEN為我們指出通向早期火星的線索。

  研究人員發現,火星大氣正以兩種主要的途徑向太空逃逸。當太陽發出的等離子體帶電粒子流(即太陽風)吹向火星大氣,太陽風中的帶電粒子可能與大氣中的分子發生碰撞。碰撞的結果是,氣體分子丟失電子,成為帶正電荷的離子。這時,太陽風帶來的電場使離子加速,逃離火星大氣。該過程稱作離子逃逸,對於MAVEN,這也是最容易定量統計的逃逸機制。

  根據MAVEN對高層大氣中離子的統計,火星大氣正以每秒約100克的速度向太空逃逸。這個數值並不算顯眼,但在2015年3月8日,MAVEN幸運地經歷了一場導致離子逃逸的速率大幅提升的太陽風暴。太陽風暴發生時,帶電粒子流的數量飆升,離子逃逸的速率因此提升了驚人的10~20倍。

  而火星大氣逃逸的另一種方式,是噴濺逃逸。這一機制同樣基於太陽風中帶電粒子對氣體分子的撞擊。在高能粒子的撞擊下,高層大氣中的氣體分子四處飛濺,其中一部分就在這一過程中獲取了足夠的動能,逃脫火星的束縛。

  顯然,離子逃逸與噴濺逃逸的速率都取決於一個條件——太陽風的強度。當太陽風暴出現時,火星大氣消失得更快。現階段,太陽風暴出現的頻率並不高,但在太陽系早期階段,情況就大不相同了。早期太陽活動更加劇烈,太陽風暴的頻率和強度都遠高於現在。因此,一個合理的推測應運而生:在生命初期,火星很可能也是一顆由濃密大氣包裹的溫暖行星,但由於早期太陽風暴更強,而火星較弱的磁場也不足以對大氣層構成有效保護,最終海洋與濃厚的大氣層一同從這顆星球上消失了。

  同位素證據

  經過MAVEN的初步探測,科學家對火星早期的大氣層作出了一個看上去合理的推測,但仍然缺乏確鑿證據。在上周發表於《科學》(Science)的一篇論文中,通過從MAVEN獲取的氬同位素數據,論文作者Jakosky團隊最終定量證明了火星演化過程中大氣層的變化。

  為什麼將氬選作研究對象?上文展示了分子逃逸機制的複雜性,這妨礙了研究人員對單一過程的分析。而氬氣是一類穩定的惰性氣體,難以轉變為離子或發生化學反應,因此噴濺逃逸成為它們從火星大氣逃逸的唯一方式。

  在這項研究中,科學家關注的是氬的兩類穩定同位素——氬36和氬38。在噴濺過程中,較輕的氬36的逃逸比例高於氬38。這倒不是因為太陽風的粒子能將氬36撞得更遠。真正的原因是,氬36較輕,它們在火星大氣處於更上層的位置,因此更容易在距火星表面200千米的散逸層受到太陽風粒子撞擊,並逃離火星。
 
 
  通過分析火星大氣層不同高度的38Ar/36Ar值,研究團隊發現,在過去的40億年間,火星大氣中66%的氬已經消失。雖然對氬氣在火星大氣中的含量變化給出了解答,但毫無疑問,這種含量十分有限的稀有氣體絕不是科學家的最終目標。人們更關心的是,既然過半的氬氣已經消失在火星的演化歷程中,那麼更重要的火星大氣成分,例如二氧化碳,又經歷了怎樣的變化呢?

  基於對氬氣的測量數據,Jakosky團隊展示了對二氧化碳濃度的模擬結果:在火星演化的過程中,10%~20%的二氧化碳通過噴濺過程逃逸至太空。這一比例不算高,但與氬氣相比,二氧化碳逃逸的途徑更多。除了這些通過噴濺逃逸的部分,更多的二氧化碳通過離子逃逸離開火星。當然,考慮到二氧化碳在大氣中複雜的行為,現階段研究人員還難以定量研究它們的變化情況。

  此外,這些研究的另一個意義在於,早期火星大氣的去處得到了證實。此前,一些人認為,曾經濃厚的大氣二氧化碳層並沒有離開火星,而是大量儲存在淺層的碳酸鹽岩層或是極地的冰蓋中。在論文中,Jakosky對這一觀點予以反駁。根據MAVEN獲取的一系列數據,與逃逸至太空的二氧化碳相比,埋藏在岩石中的二氧化碳只占了一小部分,而冰蓋中的二氧化碳含量更是微乎其微。

  因此,在過去40多億年間,火星經歷了一段不可逆的氣候變化:當構建大氣層的溫室氣體二氧化碳消逝在深邃的宇宙中,火星就再也不可能依靠自身的演變,恢復這一段溫暖濕潤的時期。所以,相比於期待移民火星,或許我們更應該珍惜我們頭頂的大氣層,以及它帶來的宜居世界。

  (來源:環球科學;撰文:《環球科學》編輯 吳非)
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