水是如何“逃离”火星的？学术资讯

这幅出自艺术家之手的概念图描绘了早期的火星环境（右）。据信它含有液态水和更厚的大气层——与今天火星上寒冷干燥的环境形成鲜明对比（左）。

火星也曾拥有海洋，如今却极其干燥。火星上的水究竟去哪儿了？近日，美国亚利桑那大学的研究者们意外在火星上层大气中发现了大量水，然而这些水很快就消失殆尽了。这一发现部分解释了火星的缺水之谜。相关研究结果发表于《自然》杂志。

文章第一作者Shane Stone是亚利桑那大学月球和行星实验室研究生，他一直在为美国宇航局MAVEN（简称“火星大气和挥发演化”）任务工作。MAVEN航天器绕火星运行，从2014年起就一直在记录火星的高层大气成分。

“数十亿年前，火星表面曾有液态水。”Stone说，“当时的大气层肯定很厚，但之后大部分大气不知何故散失到了太空中。MAVEN一直试图描述这一过程，并由此弄清火星水是如何丧失的。”

MAVEN和哈勃空间望远镜此前的观测数据显示，火星上层大气中的水分流失量会随季节发生变化。与地球相比，火星绕日运行轨道的形状更接近椭圆，其南半球在夏季离太阳也更近。Stone和他的团队发现，在火星离太阳最近的时候，随着温度上升，那些以冰的形式覆盖在火星表面的水会蒸发进入上层大气，进而散失到太空中。这种情况每一火星年（相当于地球上的两年）都会发生一次。此外，火星的区域性沙尘暴以及全球性沙尘暴也会进一步促进大气升温及水分上流。

Stone表示，促成这种周期性运动的过程与经典的火星水逃逸理论相矛盾，这表明后者并不完整。根据该理论，火星上的水冰先是转化为气体，然后在低层大气中被太阳辐射破坏。然而，这一过程如同涓涓细流，推进得缓慢而稳定，而且并不受季节或沙尘暴的影响。这与当前观测结果不符。

“这很重要，因为我们根本没指望在火星上层大气中发现水。”Stone说，“地球上的水由于‘hygropause’而被限制在地表。‘Hygropause’是大气中的一层，温度低到足以凝结（因此阻止）任何向上流动的水蒸气。”

而火星的“hygropause”温度过高，因而无法阻止水蒸气通过。一旦到达上层大气，水分子会很快地被离子分解并散失在太空（该过程不超过4小时）。

“大气和水进入太空是导致火星寒冷又干燥的主要原因。MAVEN的新数据揭示了一个至今仍在发生的过程。” Stone说。

将时间回推10亿年，“如果我们把因这一过程损失的水均匀地洒在整个火星表面，就会得到深度超过17英寸的‘海洋’。” Stone说，“仅全球性沙尘暴就会造成6.7英寸的额外损失。”当火星上刮起全球性沙尘暴时，进入上层大气的水比平时多20倍。举例来说，一场持续45天的沙尘暴造成的水分损失量相当于火星平静状态下一年的水分损失。

Stone认为，在（比10亿年前）更早的时候，情况可能又不一样，因为当时火星的“hygropause”可能更加强劲。他说：“在我们所描述的这一过程开始运作之前，肯定已经有大量大气流失到太空。因此，我们还需进一步确定该过程的影响以及它是何时开始运作的。”

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编译：橘子审稿：西莫责编：陈之涵

期刊来源：《自然》

期刊编号：1476-4687

原文链接：https://phys.org/news/2020-11-mars-fled-red-planet.html