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为啥火星水很少?最新勘测显示大气水分流失严重

07-02 新浪网
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新浪科技讯 北京时间7月2日消息,众所周知,火星大气层稀薄,二氧化碳占主导地位,并存在一定大气质量和气压。事实上,火星大气压与地球平流层气压十分类似,平流层是地球大气中的一部分,距离地面30多公里。

令科学家感到迷惑不解的是,火星表面的水去哪了呢?目前,火星北极发现几千米厚的冰层,在每年最冷时期,火星北极会出现季节性霜冻结构,同时大气中的水分以蒸汽和冰的形式存在。然而,与地球相比,火星大气极其干燥,水含量不足地球的百分之一,地球降水会在地面上形成几厘米深的水层,而火星降水仅在表面形成不足1毫米的水膜。

为啥火星水很少?最新勘测显示大气水分流失严重

随着科学家近年来对火星展开深入探索分析,相继获得的发现让人们对火星水产生深刻认识,但为什么迄今为止我们发现火星水资源仍较少呢?

水分从火星大气中逸出

证据表明,火星远古时期并非现今所观察到的这样寒冷、干旱,科学家推测,在遥远的过去——大约40亿年前,火星表面存在水。在那个时候,液态水以大溪流的形式流动,并以池塘或者湖泊的形式停滞,就像“毅力号”探测车为寻找历史生命痕迹而展开探索的杰泽罗陨坑。

要使液态水在火星表面循环并停留足够长的时间而产生这些痕迹,其气候特征必然与当前我们看到的火星气候完全不同。火星、地球和金星很可能是由相同的基本物质逐渐积累而成的,这意味着这几颗行星在形成早期一定存在非常相似的特征。然而,现今它们存在较大的差异,地球和金星拥有密集的大气层,由于火星体积小、重力低,现已失去大部分大气层。

正是这种“气体向太空流失”的理论有助于解释火星大气层当前的脆弱性,火星大气水分流失发生在距离地球200千米的高空大气,在那里大气分子已分解成原子,像氢这样最轻的分子可以脱离火星的弱引力作用,火星外逸层(大气层顶端)暴露在太阳风的高能粒子辐射中,使相当于现今火星大气层的数百倍质量逃逸至外太空。

最新数据或将揭晓其中的谜团

近期,欧洲航天局微量气体轨道飞行器(TGO)任务的最新数据发表在《自然天文学杂志》上,揭示了水流失至太空中的微妙机制。

火星水资源有一种非常特殊的化学成分,水有不同的“同位素”,例如:在半重水HDO中,一个氢原子可以被一个氘原子(D)取代,氘原子的重量是氢的两倍,因为它的原子核中除了质子之外,还有一个叫做中子的粒子。早在上世纪80年代的测量数据显示,火星水分的氘相对浓度是地球的6倍,科学家认为这是火星水失去氢的结果,当失去氢后,较重的氘同位素结合形成半重水。

为啥火星水很少?最新勘测显示大气水分流失严重

依据科学推断,火星早期的含水量是现今的6倍,相当于覆盖地球表面大约100米厚的液体层。这暗示着半重水的比例对于洞察火星早期含水量,以及阐明火星远古时期曾拥有温暖潮湿气候是非常重要的,该特征是适宜生命存活的先决条件。

微量气体轨道飞行器的勘测结果告诉我们火星低层水气中的水和半重水是如何到达高层大气并分解成原子,然后最终逃逸至太空,特别是它将揭晓更多关于氢和氘进入外逸层的中间过程。

在过去20年里,有两种理论认为,氢和氘到达外逸层的比例与它们在低大气中水分子的比例不同,然而,能够实现这一过程的中间环节是凝结(水蒸汽变成液态水),这形成了火星水冰层,以及光解作用,在紫外光照射作用下,光解作用分解水分子,并释放出一个氢或者氘原子。

近期最新研究表明,实际上凝结过程对外逸层氘含量起到次要作用,基于微量气体轨道飞行器的大气化学分析仪器,以及对水和半重水的同步测量,能够揭晓火星氢和氘原子的来源。考虑到火星海拔和季节特征,冷凝不会干扰光解作用,这一点非常重要。

结果表明,光解作用对于火星大气水分逃逸起到主要作用,光解作用的主要环节是:产生大部分原子,并决定了从火星上层大气逃逸的氢原子的同位素分离。

这项关于水流失至外太空过程的最新认识,是探索火星表面水循环历史的一个重要里程碑,仅有微量气体轨道飞行器能够揭晓水和半重水的结合浓度,但是美国宇航局人造卫星MAVEN能够观察和描绘外逸层中的氢和氘。

最新研究对科学家带来了新的探索方向,有助于科学家描述火星水资源完整的演变路径——从低层大气至高层大气,再到外太空。只有对该路径的详细了解,才能让科学家对几十亿年前火星水资源的历史发展产生全面认识,并证实火星早期是否具备生命适宜性。(叶倾城)

(责任编辑:张洋)
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