竟是太陽風搞得鬼！將火星大氣剝離使其淪為不毛之地

簡介：根據最新美國宇航局MAVEN火星探測器的結果顯示，太陽風將火星大氣剝離，從而使得火星從幾十億年前一個適宜生命居住的環境變成了現在的不毛之地。

圖：MAVEN探測器示意圖（版權：NASA）

MAVEN（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission；火星大氣和揮發性進化任務）探測器的總負責人Bruce Jakosky，他同時也是科羅拉多大學博爾德分校的大氣空間物理實驗室的教授說，「我們發現曾經存在於火星大氣中的大多數氣體已經逃逸到了太空當中，最新的觀測結果顯示大約65%的氬已經逃到了太空中。」

Jakosky是最近發表在科學雜誌上文章的第一作者（注1）。而Marek Slipski是該校大氣空間物理實驗室的研究生，他也是這項研究的合作者。在之前MAVEN團隊成員也曾經宣布火星大氣逃逸到了太空中，並且也描述了涉及到的物理過程。而這一次的研究結果是利用現在的大氣測量結果，首次給出了，隨著時間具體有多少大氣逃逸。

對於生命極為關鍵的液態水，現如今因為火星大氣太冷和極其稀薄，不能夠支撐它們在火星表面的穩定存在。然而，類似於干河床和一些只能夠在液態水存在的情況下才能形成的礦物質的發現表明遠古的火星環境和現在是非常不同的，過去是足夠溫暖，水可以在火星表面流動並且持續了一段非常長的時間。

有很多的方法能夠讓行星丟失掉大氣。比如，化學反應能夠使氣體保留在表面的岩石裡面，或者來自於行星母星的輻射或者星風也能夠把大氣摧毀掉。新的研究結果表明是太陽風及其輻射導致了火星大氣的丟失，並且因為丟失的足夠多，從而使火星氣候發生改變。太陽風是從太陽表面吹出來的帶電氣體流。

年輕的恆星通常會有更強的紫外輻射和星風，所以在火星演化的早期階段，大氣通過這個過程可能丟失的更多一些，並且這個物理過程是控制行星氣候和可居住性的主要因素。在火星的早期歷史上，微生物生命很可能是存在的。但是隨著火星表面變冷變干，任何的生命都很可能轉移到了地下或者跑到了表面少有的綠洲當中。

這次的結果是Jakosky和他的團隊通過測量氬氣的兩個不同同位素大氣含量推斷出來的。因為同位素中較輕的應該是更容易逃離到太空中，從而把更重的同位素留在了大氣當中，這屬於同位素增豐現象。科學家們利用這種增豐現象以及它隨高度的變化，從而估計出有多少的大氣氣體已經逃離到了太空中。

作為惰性氣體的氬，它不會和任何物質起化學反應，從而也不能夠被困在表面的岩石之內，所以只能夠被太陽風通過一種叫做「濺射（sputtering）」的物理過程送入太空中。在「濺射」過程中，太陽風中的粒子以極高的速度撞擊火星大氣，從而將氣體送入太空當中。科學家們追蹤了氣體氬，原因就是它只能夠通過「濺射」逃離到太空中。一旦確定了有多少氬通過「濺射」丟失掉了，科學家們可以利用「濺射」的效率來確定其它原子和分子的損失量，包括二氧化碳。

二氧化碳是非常有趣的，因為它是火星大氣的主要構成成分，同時它也是有效的溫室氣體，能夠保存熱，從而加熱行星。

Jakosky說，「我們確定了大多數的二氧化碳也是通過濺射的方式損失掉的，當然也會有其它的物理過程會使二氧化碳丟失掉，所以現在的這個估計給出的是二氧化碳丟失到太空中的最小量。」

科學家們的這個結果是來自於火星上層大氣的觀測數據，數據是由MAVEN的儀器NGIMS（Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer；中性氣體和離子質譜儀）所觀測。於此同時，美國宇航局的好奇號火星車利用搭載其上的設備SAM（Sample Analysis at Mars；火星樣本分析儀）對火星表面大氣也進行了分析，得到了相一致的結果。作為這篇文章的合作者、來自於馬里蘭戈達德航天中心的Paul Mahaffy說，「這兩個聯合的測量結果能夠讓我們更好地知道，在過去的幾十億年中，有多少氣體氬已經逃逸到了太空當中」。Mahaffy是設備SAM的總負責人，也負責設備NGIMS，而這兩個設備都是由美國宇航局的戈達德航天中心設計的。

Mahaffy還說到，「我們利用這兩個平台的測量結果得到了互為補充的多個任務才能得到結果。」

美國宇航局的戈達德航天中心負責MAVEN項目，而好奇號火星車是由位於加州的帕薩迪納噴氣推進實驗室管理。

編譯：國家天文台研究員 青年科學家苟利軍、《星際穿越》中文譯者

注1：發表文章鏈接：http://science.sciencemag.org/content/355/6332/1408

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