為什麼火星上的水這麼少?
新資料找到火星水消失的秘密
火星的北極圈,由美國宇航局火星軌道勘探飛行器拍攝(圖片來源:NASA/JPL-Caltech/MSSS)
火星以其稀薄的大氣層而聞名,其中二氧化碳佔據主導地位,併為火星提供了大部分的大氣質量和壓力。事實上,這種壓力與地球平流層中的壓力相似。而平流層是大氣層的一層,位於地表以上30多公里處。
但是水呢?目前在火星表面發現的水是北極的一層冰——大概幾公里厚。它在一年中最冷的時候也表現為季節性霜凍,在大氣中表現為蒸汽和冰。然而,與地球相比,火星大氣非常乾燥,水量少了大約100倍。雖然地球上的降水會形成幾釐米厚的水層,但沉澱在火星上的水只會形成不到一毫米的薄膜。
如今,新資料解釋了火星上(幾乎)沒有水的原因。
水從火星大氣中逸出
有證據表明,火星並不一直是我們今天觀察到的寒冷、乾旱的星球。在遙遠的過去——大約40億年前,有大量證據表明火星表面存在水。那時,液態水在大溪流中流動,並以水池或湖泊的形式停滯不前,例如毅力號火星車探索的傑澤羅隕石坑中,可以找到那時水的蹤跡。
傑澤羅隕石坑,毅力號於2021年2月拍攝,在遙遠的過去它曾是一個湖泊。(圖片來源:NASA/JPL-Caltech)
能夠讓液態水循環,並留下這些痕跡,水一定在地表停留了足夠長的時間,火星上也肯定存在與我們今天看到的完全不同的氣候。火星、地球和金星很可能是由相同的基本物質逐漸積累形成的,這意味著它們在歷史早期一定有很大的相似之處。但是,雖然地球和金星保留了大部分厚厚的大氣層,但火星由於體積小和重力低,已經失去了大部分大氣層。
這種「氣體向太空流失」的說法有助於解釋目前火星大氣層的脆弱性。這種損失發生在大氣中非常高的地方,超過了200公里。那裡的分子已經分解成原子,而像氫這樣最輕的分子,由於火星的引力微弱,很容易被撕裂,進而暴露在太陽風的高能粒子下,火星的外逸層(大氣層的上層)使得相當於今天數百個大氣層的大氣流失到太空中。
新資料
發表在《自然天文學》雜誌上的一篇文章揭示了水流失到太空背後的微妙機制,這一資料來自歐空局微量氣體軌道飛行器任務。
火星水具有非常特殊的化學成分。水有不同的「同位素」——在半重水HDO中,一個氫原子可以被一個氘(D)原子取代。氘原子的重量是氫的兩倍,它的原子核中除了質子外,還有一個稱為中子的粒子。追溯到1980年代的測量資料表明,火星水的氘相對濃度是地球上的六倍。這是因為氫的損失導致了較重同位素的留存。
通過推測,火星上最初的水量肯定是現在的六倍,相當於覆蓋了大約100米厚的液體層。半重水的這一比例有助於我們了解火星的年輕狀態,也許火星曾經擁有溫暖潮溼的氣候。這一假設是火星可居住性的先決條件。
微量氣體軌道器獲得的這些結果可以告訴我們,低層大氣中的水和半重水是如何到達高層大氣,並分解成可以逃逸到太空的原子的。最特別的是,它還可以告訴我們更多關於氫和氘進入外逸層的中間過程。
在過去的20年中,有兩種理論表明氫和氘無法像在低層大氣水分子中那樣到達外逸層。然而,可以實現它的中間過程有兩個:一是冷凝(水蒸氣變成液態水)形成火星水冰雲;二是光解,在紫外線的作用下可以分解水分子,並釋放氫或氘原子。
最近的研究揭示,冷凝實際上在逸散層的氘含量中起次要作用。藉助火星微量氣體探測軌道衛星的大氣化學套件儀器及其對H20和HDO的同時測量,我們能夠展示氫和氘原子的來源。這一點尤為重要,因為這些原子所處的時間和空間使得冷凝沒有機會干擾光解。
事實證明,光解是氫氚原子進入外逸層的主要過程:它產生了大部分原子,並決定了從火星高層大氣中逸出的氫原子同位素分餾。
這種對導致水流失到太空過程的新認識是追溯火星水歷史的一個關鍵里程碑。只有微量氣體軌道器衛星能夠揭示H2O和HDO的聯合濃度。但美國宇航局衛星MAVEN能夠觀察和描述外逸層中的氫和氘種群。
這兩項任務的共同作用開拓了一條新的研究領域,它為科學家描述火星上水的完整路徑——從低層大氣到最高層大氣,再到太空——提供了思路。只有詳細了解這條路徑,科學家才能揭示火星過去數十億年的水歷史,並證實火星過去的可居住性。
BY:Frank Montmessin
FY:董美慧
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選文:天文志願文章組-
翻譯:天文志願文章組-董美慧
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終審:天文志願文章組-零度星系
排版:天文志願文章組-零度星系
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參考資料
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3.原文來自:https://www.space.com/why-is-there-so-little-water-left-on-mars