太阳用40亿年时间,把火星的大气和海洋变没了

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发布日期:2017年04月11日 所属分类:新知

无论是出于对地外生命的幻想,还是为了更好地了解我们的邻居,火星总是汇聚着大量科学家和普通民众的目光。与地球相比,这颗行星的大气层显得过于稀薄。火星大气的96%都是二氧化碳,它的密度甚至不及地球大气的1%。如此薄弱的保护层,营造出火星干燥、严寒的环境,也杜绝了液态水大量存在的可能性。

然而,随着一颗颗探索火星的探测器陆续升空、大量火星表面的照片及采样数据返回实验室,我们逐渐发现,火星的气候环境在46亿年的演化历程中发生过翻天覆地的变化。有明确证据表明,早期火星曾是一颗有着广阔海洋的温润星球。伴随这一结论而来的,是一系列关于火星的疑团。为什么大量液态水可以存在于如此严苛的环境中?难道说,火星也曾拥有浓密大气层的保护?如果这样,火星的大气层又是怎样消失的?

代替我们拜访火星、寻找火星大气演化线索的,是美国航空航天局的火星大气与挥发物演化任务(MAVEN)探测器。2013年11月,MAVEN探测器在从佛罗里达州升空。经过近一年的旅程,MAVEN进入火星轨道,在对火星高层大气的探测过程中,逐步揭开了火星大气的演化史。

太阳用40亿年时间,把火星的大气和海洋变没了

相比于期待移民火星,或许我们更应该珍惜我们头顶的大气层,以及它带来的宜居世界。

太阳风暴

早期火星的大气层究竟是什么样?我们无法给数十亿年前的火星拍照,但通过捕捉现代火星大气的逃逸过程,MAVEN为我们指出通向早期火星的线索。

研究人员发现,火星大气正以两种主要的途径向太空逃逸。当太阳发出的等离子体带电粒子流(即太阳风)吹向火星大气,太阳风中的带电粒子可能与大气中的分子发生碰撞。碰撞的结果是,气体分子丢失电子,成为带正电荷的离子。这时,太阳风带来的电场使离子加速,逃离火星大气。该过程称作离子逃逸,对于MAVEN,这也是最容易定量统计的逃逸机制。

根据MAVEN对高层大气中离子的统计,火星大气正以每秒约100克的速度向太空逃逸。这个数值并不算显眼,但在2015年3月8日,MAVEN幸运地经历了一场导致离子逃逸的速率大幅提升的太阳风暴。太阳风暴发生时,带电粒子流的数量飙升,离子逃逸的速率因此提升了惊人的10~20倍。

而火星大气逃逸的另一种方式,是喷溅逃逸。这一机制同样基于太阳风中带电粒子对气体分子的撞击。在高能粒子的撞击下,高层大气中的气体分子四处飞溅,其中一部分就在这一过程中获取了足够的动能,逃脱火星的束缚。

显然,离子逃逸与喷溅逃逸的速率都取决于一个条件——太阳风的强度。当太阳风暴出现时,火星大气消失得更快。现阶段,太阳风暴出现的频率并不高,但在太阳系早期阶段,情况就大不相同了。早期太阳活动更加剧烈,太阳风暴的频率和强度都远高于现在。因此,一个合理的推测应运而生:在生命初期,火星很可能也是一颗由浓密大气包裹的温暖行星,但由于早期太阳风暴更强,而火星较弱的磁场也不足以对大气层构成有效保护,最终海洋与浓厚的大气层一同从这颗星球上消失了。

同位素证据

经过MAVEN的初步探测,科学家对火星早期的大气层作出了一个看上去合理的推测,但仍然缺乏确凿证据。在上周发表于《科学》(Science)的一篇论文中,通过从MAVEN获取的氩同位素数据,论文作者Jakosky团队最终定量证明了火星演化过程中大气层的变化。

为什么将氩选作研究对象?上文展示了分子逃逸机制的复杂性,这妨碍了研究人员对单一过程的分析。而氩气是一类稳定的惰性气体,难以转变为离子或发生化学反应,因此喷溅逃逸成为它们从火星大气逃逸的唯一方式。

在这项研究中,科学家关注的是氩的两类稳定同位素——氩36和氩38。在喷溅过程中,较轻的氩36的逃逸比例高于氩38。这倒不是因为太阳风的粒子能将氩36撞得更远。真正的原因是,氩36较轻,它们在火星大气处于更上层的位置,因此更容易在距火星表面200千米的散逸层受到太阳风粒子撞击,并逃离火星。

通过分析火星大气层不同高度的38Ar/36Ar值,研究团队发现,在过去的40亿年间,火星大气中66%的氩已经消失。虽然对氩气在火星大气中的含量变化给出了解答,但毫无疑问,这种含量十分有限的稀有气体绝不是科学家的最终目标。人们更关心的是,既然过半的氩气已经消失在火星的演化历程中,那么更重要的火星大气成分,例如二氧化碳,又经历了怎样的变化呢?

基于对氩气的测量数据,Jakosky团队展示了对二氧化碳浓度的模拟结果:在火星演化的过程中,10%~20%的二氧化碳通过喷溅过程逃逸至太空。这一比例不算高,但与氩气相比,二氧化碳逃逸的途径更多。除了这些通过喷溅逃逸的部分,更多的二氧化碳通过离子逃逸离开火星。当然,考虑到二氧化碳在大气中复杂的行为,现阶段研究人员还难以定量研究它们的变化情况。

此外,这些研究的另一个意义在于,早期火星大气的去处得到了证实。此前,一些人认为,曾经浓厚的大气二氧化碳层并没有离开火星,而是大量储存在浅层的碳酸盐岩层或是极地的冰盖中。在论文中,Jakosky对这一观点予以反驳。根据MAVEN获取的一系列数据,与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,而冰盖中的二氧化碳含量更是微乎其微。

因此,在过去40多亿年间,火星经历了一段不可逆的气候变化:当构建大气层的温室气体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变,恢复这一段温暖湿润的时期。所以,相比于期待移民火星,或许我们更应该珍惜我们头顶的大气层,以及它带来的宜居世界。

(环球科学/吴非)

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