美国宇航局研究揭示火星水分流失机制及其影响因素

火星曾经是一颗非常湿润的行星，这一点从其表面的地质特征就可以看出来。科学家们知道，在过去的 30 亿年里，至少有一些水进入了地下深处，但其余的水去了哪里？现在，美国宇航局的哈勃太空望远镜和MAVEN（火星大气和挥发物演化）任务正在帮助解开这个谜团。

“水只能去两个地方。要么冻结在地面上，要么水分子分裂成原子，原子从大气层顶部逃逸到太空，”这项研究的负责人、马萨诸塞州波士顿大学空间物理中心的约翰·克拉克解释说。“要了解当时有多少水以及发生了什么，我们需要了解原子是如何逃逸到太空的。”

克拉克和他的团队结合哈勃和 MAVEN 的数据，测量了逃逸到太空的氢原子的数量和当前逃逸率。这些信息使他们能够追溯逃逸率，了解火星上水的历史。

逃逸氢和“重氢”

火星大气中的水分子在阳光下分解成氢原子和氧原子。具体来说，研究小组测量了氢和氘，氘是原子核中有一个中子的氢原子。这个中子使氘的质量是氢的两倍。由于氘的质量较大，因此它逃逸到太空的速度比普通氢慢得多。

随着时间的推移，氢原子的流失量超过氘原子，大气中氘原子与氢原子的比例逐渐增加。如今测量这一比例可以让科学家了解火星温暖潮湿时期的水含量。通过研究这些原子目前的逃逸方式，他们可以了解过去四十亿年中决定逃逸率的过程，从而推断出时间。

尽管这项研究的大部分数据都来自 MAVEN 太空飞船，但 MAVEN 的灵敏度不足以在火星年的所有时间都看到氘的发射。与地球不同，在漫长的火星冬季，火星在其椭圆轨道上远离太阳，氘的发射变得微弱。克拉克和他的团队需要哈勃数据来“填补空白”，并完成三年火星年（每个火星年为 687 个地球日）的年度周期。哈勃还提供了可追溯到 1991 年的额外数据——在 2014 年 MAVEN 抵达火星之前。

这些任务的数据相结合，首次提供了氢原子逃离火星进入太空的整体视图。

动态且湍流的火星大气

“近年来，科学家发现火星的年度周期比人们 10 到 15 年前的预期要活跃得多，”克拉克解释道。“整个大气层非常动荡，在很短的时间内升温、降温，甚至在几小时内。在火星一年中，太阳在火星的亮度变化 40%，大气层随之膨胀和收缩。”

研究小组发现，当火星靠近太阳时，氢和氘的逃逸率会迅速变化。在科学家以前的经典图像中，这些原子被认为是缓慢地向上扩散穿过大气层，到达它们可以逃逸的高度。

但那幅图景已不能准确反映整个故事，因为现在科学家知道大气条件变化非常快。当火星靠近太阳时，水分子（氢和氘的来源）会迅速升入大气层，并在高空释放原子。

第二个发现是氢和氘的变化非常快，以至于原子逃逸需要额外的能量来解释。在高层大气的温度下，只有一小部分原子有足够的速度逃脱火星的引力。当某种东西给原子额外的能量时，就会产生更快的（超热）原子。这些事件包括太阳风质子进入大气层的碰撞或推动高层大气化学反应的阳光。

充当代理

研究火星上的水的历史不仅对了解我们太阳系中的行星至关重要，而且对了解其他恒星周围类似地球的行星的演化也至关重要。天文学家发现的此类行星越来越多，但很难对其进行详细研究。火星、地球和金星都位于我们太阳系的宜居带内或附近，宜居带是恒星周围的区域，液态水可以在岩石行星上聚集；然而，这三颗行星目前的状况截然不同。火星及其姊妹行星可以帮助科学家了解银河系中遥远世界的性质。

该研究结果发表在美国科学促进会 7 月 26 日出版的《科学进展》杂志上。

关于任务

哈勃太空望远镜已运行三十多年，并不断取得突破性发现，这些发现塑造了我们对宇宙的基本理解。哈勃望远镜是美国宇航局 (NASA) 和欧洲航天局 (ESA) 之间的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心负责管理望远镜和任务运营。总部位于科罗拉多州丹佛的洛克希德马丁太空公司也支持戈达德的任务运营。由天文学研究大学协会运营的马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所 (STScI) 为 NASA 开展哈勃科学运营。

MAVEN 的首席研究员位于科罗拉多大学博尔德分校的大气和空间物理实验室 (LASP)。LASP 还负责管理科学运营和公共宣传与沟通。位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心负责管理 MAVEN 任务。洛克希德·马丁航天公司建造了该航天器，并负责戈达德的 MAVEN 任务运营。位于南加州的 NASA 喷气推进实验室提供导航和深空网络支持。MAVEN 团队正准备在 2024 年 9 月庆祝该航天器在火星上飞行 10 周年。