火星的液态水去了哪里?一个新的理论提供了新的线索。
1579字
2021-04-05 09:59
2阅读
火星译客

今天,火星是一个寒冷的沙漠。但干涸的三角洲和河岸表明,水曾经流过工厂的表面。它们都到哪里去了?几十年来,科学家们一直试图回答这个问题,希望了解火星是如何变成贫瘠的荒地的,而它的邻居地球却能保持水源,成为生物天堂的。

现在,一个由地质学家和大气科学家组成的团队通过将对这颗红色行星的观测数据插入新的模型,得出了火星过去的新图景:火星上的许多古老水可能被困在地壳中的矿物质中,直到今天仍存在。

先前的研究表明,由于火星的大气层被太阳辐射剥离,火星上的大部分水都逃到了太空中。但今天发表在《科学》(Science)杂志上、并在今年的月球和行星科学会议上展示的这项新研究得出结论,火星上的水经历了大气流失和地质圈藏。

根据最初的水含量,新的模型估计,30%到99%的水都融入了地壳的矿物质中,而其余部分则逃逸到了太空中。这是一个很大的范围,而且这两个过程可能都起了作用,所以“现实就存在于其中的某个地方,”普渡大学(Purdue University)的行星科学家布里奥妮·霍根(Briony Horgan)说,她没有参与这项新研究。

如果新的模型是准确的,那么地球青春期的故事就需要重写。今天所有被认为是被困在火星地壳中的水意味着这个星球在其年轻时期的地表水比以前的模型所估计的要多得多,而且早期时代可能比以前认为的更适合微生物生命。

北卡罗莱纳州立大学的行星科学家保罗·伯恩(Paul Byrne)没有参与这项新研究,他说:“这篇论文考虑到了曾经的蓝色火星存在的可能性,即使是很短的一段时间。”

从湿透到干燥

大量干涸的河床、三角洲、湖泊盆地和内陆海清楚地表明,火星表面曾经有大量的水。它的北半球甚至可能有一个或几个不同的海洋,尽管这是一个激烈的争论的问题。今天,除了可能存在的一系列含盐的地下湖泊和蓄水层外,火星上的大部分水都被封存在极地冰帽或埋藏在地表以下的冰中。

通过观察不同年龄段的火星陨石的化学成分,并利用美国宇航局的好奇心探测车研究古代岩石和衡量当前火星大气,科学家已经能够估算表面水冰,水,或水蒸气会一直存在在不同的点在火星的历史中。他们认为,在月球早期,如果所有的水都是液态的,那么它可以把整个地球覆盖在150到800英尺深的浅海中。

火星过去有一个更坚固的大气层,它的压力使液态水存在于火星表面。但是使用美国宇航局的MAVEN轨道飞行器的工作发现,火星的大部分大气层被来自太阳的太阳风带电荷的粒子流剥离,这可能是在火星形成5亿年之后。原因尚不清楚,尽管地球早期失去了保护磁场可能起了关键作用。

不管怎样,大气的湮灭使火星表面约90%的水蒸发,留下水蒸气被紫外线辐射分解,使火星成为脱水的荒地。

线索隐藏在火星的珠宝中

至少,故事是这样发展的。但它有一些情节漏洞。

火星上古老水的命运之前是根据火星目前大气中发现的氢的类型来估计的。当空气中的水蒸气受到太阳紫外线辐射的轰击时,氢从水分子中的氧气中剥离出来。作为一种轻气体,自由氢很容易逃逸到太空中。然而,一些水蒸气含有一种更重的氢,称为氘,它更有可能留在大气中。

科学家们知道火星上的氢和氘的自然比例应该是多少,所以留下的氘的数量可以用来确定火星上曾经存在过多少较轻的氘。因此,氘就像一个幽灵般的指纹,揭示了过去最终逃入太空的水的数量。

时至今日,氢仍在从火星逃逸,科学家们可以通过测量其速度来计算出有多少水在永久流失。加州理工学院的博士生、这项新研究的主要作者伊娃·林汉·谢勒说,如果这个速度在过去的45亿年里保持稳定,这将远远不足以解释这么多地表水的消失。

另一条线索来自于所有检查火星岩石的轨道飞行器和漫游者。在过去的二十年里,人们发现了大量的含水矿物质,包括大量的粘土。起初,只在各处发现了一些补丁。但今天,“我们看到了地表有大量水合矿物质的证据,”霍根说。

所有这些极其古老的水合矿物质表明,很久以前,大量的水流过古老的火星土壤——比大气中的氘信号所显示的要多得多。

赖斯大学(Rice University)的行星科学家柯尔斯滕·西巴赫(Kirsten Siebach)没有参与这项研究,他说:“我们花了一段时间才找到我们发现的所有水合矿物,然后才充分认识到它们在全球范围内的重要性。”

毁灭一个星球的两种方法

谢勒说,一个问题是以前的模型没有充分考虑到地壳将水锁在矿物质内部的能力。她和她的同事们决定建立一个新的模型来估计火星上的水在其45亿年的生命周期中在哪里流动。

该模型做了一些假设,比如火星一开始有多少水,有多少水后来由含水的小行星和冰冷的彗星输送,有多少水随时间流失到太空,有多少火山活动使更多的水沉积在火星表面。根据这些变量的值,研究小组发现,火星曾经有足够的地表水,足以形成一个330到4900英尺深的全球海洋。

41亿至37亿年前,地表水的数量显著减少,因为它被地壳中的矿物质吸收并逃逸到太空中。谢勒说,到目前为止,没有一种含水矿物质的年龄小于30亿年,这意味着火星在其生命的大部分时间里都是一片干旱的荒原。

新模型有其局限性,一些关键细节仍不清楚。但这是重要的一步,“肯定会对未来有关火星上水的历史的许多调查提供帮助,”美国宇航局戈达德太空飞行中心(位于马里兰州绿带)的行星科学家杰罗默·维兰纽瓦(Geronimo Villanueva)说,他没有参与这项新研究。

一方面,它有助于解决氘测量所估计的水量与月球表面留下的无数水特征之间的差异。目前还不清楚这么多河流和湖泊是如何从这么少的水中形成的,Siebach说,但是这个新的模型通过识别火星上可能存在的额外水,为这个谜提供了解决方案。

然而,这项研究并没有改变科学家们认为现在火星上有多少水——根本就不多。霍根说,宇航员可能有一天会在火星上烘烤含水矿物质来释放水分,但这将是一个能量密集型的过程。

“这项研究表明,在火星早期的历史中,有更多的水可以利用,而那是火星最适宜居住的时期,”Siebach说。如果微生物曾经存在过的话,它们可能会扩散到所有可用的水里,但在30亿年前大部分水消失的时候,它们会挣扎着生存下去。

北卡罗莱纳州立大学的Byrne说,大量的水会消失在地壳中,这一想法也暗示了其他岩石世界的存在。

水也与地球上的矿物质结合。但是在我们的星球上,板块构造使这些矿物质循环,通过火山爆发不断释放它们的水,Siebach说。相比之下,火星停滞不前的地壳可能注定了这个星球会变成一个寒冷的沙漠。同样改变世界的过程在金星上也发生过吗?水最终会被锁在远离我们太阳系的系外行星的地壳中吗?

弗吉尼亚理工大学的行星科学家斯科特·金(Scott King)没有参与这项工作,他说,这个模型为更丰富地了解火星和其他岩石世界在各个时代的演化过程铺平了道路。

“现在,”他说,“有大量的新问题可以提出和思考。”

0 条评论
评论不能为空