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为什么火星上(几乎)没有水了?

 

平价 弗兰克·蒙梅辛, 凡尔赛大学圣昆汀恩伊夫林省(UVSQ)–巴黎萨克莱大学

火星以其良好的大气层而闻名,那里的 CO2 占主导地位并提供大部分大气质量和压力,后者可与在地表以上 30 公里以上的地球平流层中发现的大气质量和压力相媲美。

但是水呢? 火星上的水 目前在地表观察 北极有几公里厚的冰层,一年中较冷时期的季节性霜冻,以及大气中的蒸汽和云层中的冰。 尽管如此,火星大气与地球相比非常干燥:按比例,火星大气中的水比地球少 100 倍。 虽然地球上的降水会产生几厘米的水膜,但在火星上沉淀的水只会形成不到一毫米的薄膜。

De 新数据 让我们更好地理解为什么火星上(几乎)没有更多的水,而过去它一定很丰富。

水从火星大气中逸出

因为一切都表明火星并不总是我们今天所知的寒冷干旱的星球。 火星在其遥远过去的表面上展示了许多证据——大约 XNUMX 亿年前,液态水在大溪流中循环并以盆地或湖泊的形式停滞不前,例如在杰泽罗陨石坑中,毅力号火星车正在探索火星的痕迹过去的生活。

毅力号于 2021 年 XNUMX 月登陆的 Jézéro 陨石坑在遥远的过去是一个湖泊。
NASA / JPL-加州理工学院

为了让液态水尽可能多地循环并在地表停留足够长的时间以留下所有这些印记,有必要创造一种与我们今天观察到的完全不同的气候。 火星、地球和金星可以说是由相同的基本材料吸积而成的,这意味着它们在历史的早期肯定有很大的相似之处。 但是,虽然地球和金星保留了大部分厚厚的大气层,但火星由于体积小、重力低,随着时间的推移无法保留其大气层。

确实是这个 《逃逸论》 这解释了目前火星大气稀薄的原因。 这种逃逸发生在 200 公里以上的大气层中,那里的分子已经分解成原子,而较轻的分子(如氢)可以从火星的微弱引力中脱离出来。 暴露在太阳风的高能粒子下,火星的这个“外层”也是它的“阿喀琉斯之踵”,因为随着时间的推移,它已经让数百个当前大气层在太空中消失了。

新数据

收到的新数据 痕量气体轨道飞行器任务 来自 ESA(欧洲航天局)并于今天发布 在《自然天文学》杂志上,来启发我们了解控制水逸出的微妙机制。

这种逃逸是众所周知的,尤其是因为火星水的成分是独一无二的。 事实上,水的同位素,特别是“半重”水 HDO,其中氢原子 (H) 被重两倍的氘原子 (D) 取代,自 80 年代以来在火星上测量过,揭示了相对火星上的氘浓度是地球上的 6 倍。 这种相对富集被准确地解释为氢逃逸的结果,氢逐渐留下最重的同位素,在这种情况下是 D 和 HDO,解释了这种富集比为 6。

通过外推,火星上最初的水量一定至少是现在的 6 倍,或者相当于覆盖地球一百米的液体层。 这显示了 HDO/H 比率如何20对于投射到火星的年轻人中并阐明过去炎热潮湿气候的假设,在其宜居性之前是至关重要的。

比较“半重”水HDO和“普通”水H20的同位素比,了解火星表面水量的演变及其气候。
弗兰克·蒙梅辛, 作者提供

微量气体轨道飞行器的这些结果使我们能够更好地了解低层大气中的水和半重水被输送到高层大气,然后转化为能够逃逸的原子的条件。 事实上,我们一直想知道中间过程在多大程度上可以改变水中的氢和氘进入外逸层的方式。 20 年来,有两种理论表明,氢和氘无法以它们在低层大气水分子中的比例到达外逸层。 这些中间过程一方面是冷凝,形成火星水冰云,另一方面是光解作用,在紫外线的作用下破坏水分子并释放出氢或氘原子。

在实验室中研究了几十年,已知冷凝和光解以特定方式影响水及其同位素:这称为“同位素分馏”。 也由于我们对同位素分馏的了解,可以通过在极地钻孔冰芯来追踪地球过去的气候进程,其中 HDO 的浓度揭示了当时盛行的或多或少的寒冷气候。凝结成冰。 这是一门学科 法国社区擅长的地方,这使得在法国实验室内在火星环境中启动探索性工作成为可能。

在火星上,光解分馏与冷凝分馏的运作方式相反。 最重要的是,两者在水的过程中不会同时运作——这最后一点对氢原子和氘原子的命运有重大影响。 事实上,水蒸气的冷凝趋向于使形成的冰中的 HDO 浓缩,因此事实上消耗了 HDO 中的蒸气。 就其本身而言,光解倾向于促进存在于 HDO 分子中的氘的释放。 长期以来,人们认为通过冷凝进行的同位素分馏,这使得蒸汽中氘含量较低,主导了光解作用,并迫使外逸层中的氘比例低于低层大气中的水中。

这是什么'最近的研究 揭示的是冷凝实际上在外逸层中的氘比例中起次要作用。 得益于痕量气体轨道飞行器的大气化学套件仪器及其对 H 的同步测量20 和 HDO,我们能够显示氢和氘原子的来源,在火星年的高度和时期,冷凝不可能干扰光解。

确实是光解产生了大部分原子,并决定了从火星上层大气逸出的氢原子的同位素分馏。

下一个目的地:了解水的路径,从地表到高层大气

这种对我们对导致水逸出过程的理解的质疑,在试图追踪火星上的水历史方面构成了一个重要的里程碑。 只有微量气体轨道器卫星能够揭示 H 的联合浓度20 和 HDO。 但是一个 另一颗卫星,这次来自美国宇航局,MAVEN, 能够观察和表征外逸层中的氢和氘种群。

伴随着这两项任务,一项主要的研究正在出现,现在可以考虑描述水从低层大气到高层大气的完整过程,在那里组成的原子逃逸到太空。 只有详细了解这条路线,社区才能开发出关于过去数十亿年水历史的可靠情景,从而有可能证实火星过去可能出现生命的宜居性。谈话

弗兰克·蒙梅辛, CNRS 大气、环境、空间观测实验室 (LATMOS) 研究主任, 凡尔赛大学圣昆汀恩伊夫林省(UVSQ)–巴黎萨克莱大学

本文改编自 谈话 根据知识共享许可。 阅读原创文章.

© 特色图片:NASA 火星勘测轨道飞行器任务拍摄的火星北极帽。 NASA / JPL-Caltech / MSSS

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