火星大氣去哪兒了？一場(chǎng)持續(xù)數(shù)十億年的“地下工程”

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

曾幾何時(shí)，火星的大氣層與現(xiàn)今的樣貌大不相同。根據(jù)科學(xué)家的地質(zhì)觀察和分析，火星早期擁有濃密的大氣層，其中二氧化碳（CO?）的壓力曾高達(dá)0.25至4巴，這甚至超過(guò)現(xiàn)今地球大氣壓1巴的水平。然而，現(xiàn)今的火星卻只保有約0.054巴的二氧化碳儲(chǔ)存量，顯示出巨大的損失。這一轉(zhuǎn)變反映在火星地質(zhì)從“溫暖潮濕”到“寒冷干燥”的氣候變化。特別是在晚諾亞紀(jì)和西方紀(jì)之間的氣候轉(zhuǎn)折期中，這一現(xiàn)象尤為顯著。對(duì)于火星如此劇烈的二氧化碳損失，科學(xué)界提出了多種假說(shuō)，但目前尚無(wú)明確的解釋。那么，火星的這些大氣究竟去了哪里呢？

一種普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，由于火星的質(zhì)量相對(duì)較小，其引力不足以持住濃密的大氣層，造成大量氣體逃逸到外太空。與地球相比，火星缺乏足夠的磁場(chǎng)保護(hù)，使得其大氣更易受到太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線的撞擊，這進(jìn)一步助推了大氣的逃逸過(guò)程。此外，還有一種觀點(diǎn)是，火星的二氧化碳可能進(jìn)入了地殼的巖石中，被封存了起來(lái)。地質(zhì)活動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)將部分二氧化碳鎖進(jìn)礦物結(jié)構(gòu)中，如此一來(lái)，大氣中的二氧化碳逐漸減少，形成今天我們所見(jiàn)的“稀薄”火星大氣。

最近，為了回答火星地殼巖石對(duì)二氧化碳的封存作用，美國(guó)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)針對(duì)已經(jīng)在火星上發(fā)現(xiàn)的巖石和礦物，開(kāi)展了理論和模擬研究，研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。他們首先基于的基本地質(zhì)事實(shí)是，火星上有貧硅但富含鐵和鎂的硅酸鹽礦物，即橄欖石和輝石組成的火成巖，有水活動(dòng)的痕跡，也有一些黏土礦物。這三者在地球上也有，而且他們的關(guān)系非常密切。在地球上，這種火成巖在被水腐蝕或風(fēng)化時(shí)會(huì)形成蛇紋石和蒙脫石等黏土礦物。在火星上，曾有古老的河流，水也可能在那里流動(dòng)并與底層巖石發(fā)生反應(yīng)。

隨后，科學(xué)家利用地球上水與這類(lèi)火成巖相互作用的知識(shí)，創(chuàng)建了一個(gè)適用于火星的模型。利用這一模型，他們發(fā)現(xiàn)，在十億年的時(shí)間里，水可能已經(jīng)滲透過(guò)地殼深處，與橄欖石發(fā)生了反應(yīng)。反應(yīng)后會(huì)釋放出氫氣。

接下來(lái)，釋放出的氫氣可能與水中的二氧化碳結(jié)合形成甲烷。這種反應(yīng)慢慢地將橄欖石轉(zhuǎn)化為另一種富含鐵的巖石——蛇紋石。隨著蛇紋石繼續(xù)與水發(fā)生反應(yīng)，最終可能形成蒙脫石。

而蒙脫石黏土具有強(qiáng)大的碳儲(chǔ)存能力?？紤]到火星表面估計(jì)覆蓋的黏土量，這個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，火星黏土可以?xún)?chǔ)存相當(dāng)于火星最初早期大氣層中約80%的二氧化碳。

這項(xiàng)研究還有哪些科學(xué)意義呢？

首先，黏土礦物吸附二氧化碳的發(fā)現(xiàn)，為火星大氣二氧化碳減少提供了新機(jī)制。除了科學(xué)上的意義，這些封存的碳也可能成為未來(lái)火星探索的重要資源。例如，雖然在地球上2 wt % TOC被視為頁(yè)巖氣經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的最低標(biāo)準(zhǔn)，但在太空探索中此標(biāo)準(zhǔn)未必適用，0.5 wt %的碳含量或許就是有價(jià)值的燃料來(lái)源。

未來(lái)，開(kāi)采火星上的有機(jī)碳，特別是甲烷，可以為遠(yuǎn)途太空任務(wù)或返回飛行提供推進(jìn)劑。此外，甲烷和氫作為火星大氣中的強(qiáng)溫室氣體，可以更有效地用于“地球化”。這種資源的集中利用以及有機(jī)碳在頁(yè)巖或捕集層中的聚集過(guò)程，將使開(kāi)采計(jì)劃更具實(shí)際意義，并為尋找地下濃縮沉積物提供科學(xué)支持。

通過(guò)研究類(lèi)似的過(guò)程，人類(lèi)也許可以更好地理解地球早期大氣中二氧化碳含量變化的歷史，這對(duì)認(rèn)識(shí)地球和火星的氣候演化都有重要的參考價(jià)值。

總之，火星大氣的變化和消失不僅是對(duì)太陽(yáng)系歷史的一次揭示，更可能呈現(xiàn)出未來(lái)人類(lèi)拓展空間邊界、開(kāi)發(fā)宇宙資源的無(wú)限可能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些過(guò)去封存于未知中的答案將逐漸被揭露，為我們帶來(lái)關(guān)于火星以及整個(gè)宇宙的更多啟示。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：肖龍

審核：周炳紅 中國(guó)航天科普大使 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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