NASA的研究使人们对火星大气损失有了新的认识

根据由美国国家航空航天局（NASA）资助的科学家们的最新观测结果显示，一种用于估计火星大气流失程度的关键示踪剂，可以根据火星一天中的时间和这颗红色星球的表面温度而变化。此前对这种示踪剂（即氧同位素）的测量结果很大不同。关于该示踪剂的精确测量对于估计火星失去大气之前曾经拥有多少大气而言非常重要，这将揭示火星曾经是否适宜居住以及当时的条件可能会是是什么样的。

如今的火星是一个寒冷、不适宜居住的沙漠，但是像干涸的河床和仅有液态水形成的矿物质等特征表明，很久以前火星曾拥有一个厚实的大气层保留了足够的热量使得液态水（生命的必要成分）可以在火星地表流动。根据NASA各项任务，比如火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）、好奇号任务以及追溯到1976年的维京任务（Viking missions）的结果看来，火星似乎在数十亿年间失去了大部分大气，使得火星从可能支持生命存在的气候变成如今干燥冰冻的环境。

这幅艺术家笔下的概念图描绘了被认为包含液态水和更厚的大气层的早期火星环境（右图），与如今火星上寒冷干燥的环境（左图）的对比。
版权：NASA戈达德太空飞行中心

然而，关于这颗红色星球的古老大气仍存在许多谜团。美国马里兰大学学院公园分校和NASA戈达德太空飞行中心的蒂莫西·利文古德（Timothy Livengood）是8月1日于Icarus网站上发表的一篇关于这项研究的论文的第一作者。他表示：“我们知道火星曾经拥有更多的大气。我们知道它曾经拥有流水。除此之外，我们对其他环境条件尚未有一个很好的评估，即火星曾经的环境和地球有多相似？类似的时间有多久？”。

估算火星原始大气厚度的一种方法是观察氧同位素。同位素是同一元素因原子核中中子数不同而具有不同质量的变体。较轻的同位素相对较重的同位素逃逸到太空的速度更快，因此地球大气中残留的较重同位素会逐渐富集。在这种情况下，与地球相比，火星上较重的氧同位素18O相对更轻更常见的16O更加富集。在假设地球和火星上的每种同位素的相对量曾经是相似的情况下，测量到的每种同位素的相对量，结合对较轻的16O的逸出速度的估计，可以用来估计古代火星上的大气多少。

问题是，对火星上18O与16O的相对量（即18O/16O的比值）的测量值并不一致。不同的任务需测量不同的比值，这导致了对火星古代大气的不同理解。这项新结果提供了一种可能可以解决这种差异的方法，这个方法显示了在火星日中该比值会发生变化。Livengood表示：“以前在火星或地球上进行的测量得到了各种不同的同位素比值。我们的方法是第一个使用单一方法来进行测量的，该方法显示了一天之内实际变化的比值，而不是独立设备之间的比较。在我们的测量中，与地球上氧同位素的正常比值相比，火星上氧同位素比值的变化范围从正午时分重同位素的约9%亏损到下午1:30左右重同位素的约8%富集不等。”

这一同位素的比值范围与其他报道的测量值相一致。Livengood表示：“我们的测量结果表明，以前的工作可能都是正确的，但是并不一致，这是由于大气的这一方面比我们所意识到的要复杂得多。根据在火星上的哪一个地点进行测量，以及一天中的什么时间进行测量，都有可能得到不同的测量值。”

研究小组认为，由于火星地表温度的原因，在一天中的同位素比值变化是一种常见现象，在这种情况下，较重的同位素分子在夜间比较轻的同位素更容易附着在寒冷的表面颗粒上，然后随着白天地表温度的升高，这些较重的分子就会释放出来(热解吸)。

由于火星大气的主要成分是二氧化碳（CO2），研究小组实际上观测到的是附着在CO2分子中碳原子上的氧同位素。他们利用NASA戈达德太空飞行中心研发的行星风和成分外差仪，通过设在夏威夷莫纳克亚山的NASA红外望远镜设备对火星大气进行了观测。Livengood表示：“在试图了解我们从观测中获得的估计同位素比值的广泛分布时，我们注意到它们与测量得到的地表温度有关联性。正是这种洞察力让我们走上了这条道路。”

这项新工作将帮助研究人员完善他们对古代火星大气的估计。因为这些测量结果现在可以被理解为与其他行星大气中类似过程的结果相一致，这意味着它们在理解火星气候变化方面走上了正轨。Livengood表示：“这表明大气流失是由我们或多或少了解的过程造成的。关键的细节还有待研究，但这意味着我们不需要引入外来过程，这些过程可能会在不改变同位素比值或只改变其他元素的某些比值的情况下，就能消除二氧化碳。”

这项研究由前NASA行星天文学项目资助，现为NASA太阳系观测项目。NASA正在利用我们强大的太空飞船和基于地面的任务对太阳系和太阳系以外的地方进行探索，揭示世界、恒星和宇宙的奥秘。

参考
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mars-lost-atmosphere