太陽用40億年時間，把火星的大氣和海洋變沒了

美國航空航天局的MAVEN探測器發現，火星的氣候環境過去46億年里，發生過翻天覆地的變化。

撰文 《環球科學》編輯 吳非

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採樣數據返回實驗室，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Bruce 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佔了一小部分，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。

參考文獻：

Jakosky, B. M., et al. "Mars』 atmospheric history derived from upper-atmosphere measurements of 38Ar/36Ar." Science 355.6332 (2017): 1408-1410.

Jakosky, Bruce M., et al. "The Mars atmosphere and volatile evolution (MAVEN) mission." Space Science Reviews 195.1-4 (2015): 3-48.

http://science.sciencemag.org/content/350/6261/643.full#ref-1

https://www.nytimes.com/2015/11/06/science/space/mars-atmosphere-stripped-away-by-solar-storms-nasa-says.html?_r=0

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！