火星上的水都去哪兒了？真相併不簡單

彭濤編譯

數十億年前，火星的部分表面可能覆蓋有海洋（來源：NASA/GSPC）

數十億年前，我們的鄰居火星是一顆富含水的星球，有河流甚至海洋；而現在，火星是一個寒冷、乾枯、到處是沙漠的星球。在火星的地下，只存有少量的冷凍冰，在它的大氣層中只存有微量的水蒸氣。據估計，火星已經失去了至少80%的原始水源。那麼，這些水去哪兒了呢？來自莫斯科物理技術研究所和德國馬克斯普朗克太陽系研究所的研究人員通過計算機模擬，描述了火星上的不同尋常的水循環過程，從而揭開了火星上的水消失之謎。

不一樣的火星水循環

火星的大氣層寒冷而稀薄，它的大氣層中只存有微量水蒸氣，其中大部分水蒸氣在下層大氣中。由於中層大氣通常很冷，因此它會阻止水蒸氣穿過它而上升到上層大氣中。如果是這樣，火星上的水到底去哪兒了呢？

研究人員觀察到，火星大氣層存在一種不一樣的水循環系統。當火星南半球進入夏季時，水蒸氣會非常容易地穿過中層大氣從而上升到上層大氣中，緊接著，來自太陽的紫外線會將穿過來的一部分水蒸氣分解成氫(H)和羥基自由基(OH)，從而無可挽回地逃逸進太空之中，剩餘的水蒸氣則在火星的兩極附近下沉。

但問題是，水蒸氣是如何穿過中層大氣這一「屏障」而到達上層大氣的呢？為什麼單單是火星南半球進入夏季才會發生這種現象呢？

原因之一：火星繞太陽軌道

一個火星年（繞太陽運行的周期）大約是兩個地球年，由於火星近日點和遠日點與太陽之間的距離相差約4200萬公里，這一數字顯然比地球的要大得多，因此其軌道形狀更「扁」一些。

在火星南半球進入夏季時，近日點附近是南半球最接近太陽的時候，火星南半球的夏季溫度明顯高於北半球的夏季溫度，這就使得水蒸氣在這個時候較容易穿過中層大氣，可以一路上升進入上層大氣，從而逃離火星而進入太空。

在火星無塵暴時，在經緯度平面的0、30、60、90、120和150公里不同高度處（對應圖a－f），模擬平均垂直水汽通量的變化情況，正值（向上通量，代表水蒸氣向上流動）用紅色表示，負值（向下通量，代表水蒸氣向下流動）用藍色表示。

研究人員解釋了這種以前不為人知的機制：「在下層大氣與上層大氣之間，存在一個屏障（中層大氣），由於這一屏障的溫度較低，水蒸氣很難穿過它。但在一個火星年中某個地點的某個時間，這個屏障會開一個『小窗口』，讓水蒸氣穿過，從而使水蒸氣穿過它而進入上層大氣中。」

他們用計算機模擬了從火星表面到160公里高度的大氣層中水蒸氣的流動過程，結果表明，在一個火星年中，在南緯60度以上、日面經度250度至270度之間的位置，水蒸氣每天會在冰冷的中層大氣中穿行兩次。

德國馬克斯普朗克太陽系研究所的保羅?哈托說：「南半球的夏季，在一天中的某些時候，水蒸氣會隨著較暖氣團在局部上升，並進入到上層大氣中，在上層大氣中，氣流將一部分水蒸氣沿經度方向帶到兩極，在那裡水蒸氣冷卻並再次下沉。但是，部分水蒸氣會逃脫出這個循環，因為在太陽輻射的影響下，使水分子分解，從而逃逸進入太空。」

原因之二：火星塵暴

火星的另一個特性可以加強這種不尋常的水循環：跨越整個火星的巨大塵暴，每隔幾年就會襲擊火星。最近發生的兩次大的塵暴分別是2007年和2018年，這兩次塵暴被環繞火星的太空探測器全面地記錄下來。

德國馬克斯普朗克太陽系研究所的亞歷山大?梅德韋傑夫表示：「在這樣一場塵暴中，大量的灰塵在大氣中盤旋，造成空氣溫度上升，從而有利於水蒸氣進入上層大氣中。」

在坐標為南緯75度－0度、日面經度250度－270度之間，模擬水蒸氣氣壓隨地面高度和時間的分布。藍色線是向下的水蒸氣氣壓，紅色線是向上的水蒸氣氣壓，等高線將具有相同速度氣團的點連接起來，等高線上的數字（向上流動為正，向下為負）表示氣團運動的速度（米/秒）。圖a為無塵暴天氣時的計算結果，圖b為塵暴天氣下的計算結果。

研究人員計算出，在2007年的塵暴期間，進入上層大氣中的水蒸氣是南半球無塵暴夏季的兩倍。由於塵埃顆粒吸收陽光並因此升溫，整個大氣層的溫度上升了30度。保羅?哈托（Paul Hartogh）總結道：「很明顯，火星大氣層比地球大氣層更容易損失水蒸氣。」

火星的未來

研究人員還認為，火星的大氣厚度要曾經比現在的厚得多，可能像今天的地球一樣，含有非常多的水蒸氣，甚至還可能存在河流、湖泊和海洋。而現在，火星的大氣層變得非常稀薄，它不再像幾十億年前那樣存儲那麼多的水蒸氣，但它的大氣層中仍然存在一個活躍的水循環系統，使得水蒸氣還能輕易地逃到太空中去。

因此，長久來看，火星將會變得越來越乾枯。此外，這項研究所揭示的特殊的水循環機制，也有助於我們理解其它星球（包括地球）的演化。

參考文獻：

[1]https://phys.org/news/2019-05-mars.html.

[2]Seasonal Water 「Pump」 inthe Atmosphere of Mars: Vertical Transport to the Thermosphere. GeophysicalResearch Letters, 2019, 46(8).

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