火星在形成之初，便已不再有磁場存在。

其后，由于太陽的紫外線光子以及太陽風(fēng)的驅(qū)動，火星上的大氣和水逐漸消失在太空中。

今天的火星是一個寒冷干燥的星球。它的平均溫度比水的冰點還要低50 K。并且火星上的大氣太過稀薄，水無法以液體的形式存在。然而，地質(zhì)證據(jù)表明，古代火星表面存在豐富的液態(tài)水。這顆行星表面的特征告訴我們，在火星歷史的早期，曾經(jīng)有河流、溪流和海岸線存在（見圖1）。

在那時的火星表面，陽光比現(xiàn)在要弱30%。這說明，當(dāng)時一定存在可以使火星表面變暖的極厚的溫室大氣。二氧化碳占現(xiàn)在大氣總量的96%，雖然它可能并不是火星上唯一的溫室氣體，但它應(yīng)該是造成溫室效應(yīng)的最主要因素。較早的極厚大氣中的二氧化碳都去了哪里？塑造河床、侵蝕地表的水去哪兒了？水和二氧化碳能否重新回到大氣中并使得火星再次變暖？

大氣中的二氧化碳的壓強只要能達到幾個巴，就可以將溫度提高到冰的熔點。而火星最初時的壓強可能多達20個巴。作為對比，地球表面的總大氣壓約為1巴。火星的含水量可以用全球等效水層（GEL）表示。如果所有水都以液體形式均勻分布于行星表面，則水的深度即為GEL?？捎^測到的火星形態(tài)特征表明，火星至少具有50米的GEL。水也可能以地下水或冰的形式存在于地殼中，其數(shù)量足以使得GEL升高近一個數(shù)量級，即火星的GEL應(yīng)有500米。而如果地球上的水遍布整個地表，將形成大約2公里厚的水層。

火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)

行星失去表面的水和二氧化碳的方式有兩種。太陽及其太陽風(fēng)可以將大氣頂部的水蒸氣和氣態(tài)二氧化碳帶入太空。這兩種化合物也可以擴散到地下，與地殼物質(zhì)反應(yīng)，形成富含二氧化碳和水的礦物。

自 2014 年以來，火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN）的航天器一直在跟蹤探測火星大氣的剝離情況。盡管如今大氣正在以大約2～3千克/秒的速度流失氣體，但在火星的早期歷史上，當(dāng)太陽的極端紫外線和太陽風(fēng)更加強烈時，大氣流失的速度要比這高得多。通過觀察目前的流失過程，并結(jié)合太陽的歷史，行星科學(xué)家可以推算出之前的損失率，并估算得到總損失量隨時間的變化。

他們利用觀測到的較重的穩(wěn)定同位素對，比如D/H、13C/12C、15N/14N、38Ar/36Ar，來推斷每種氣體的損失比例。一般而言，較輕的同位素更容易流失到太空中，并留下更高濃度的較重同位素。

科學(xué)家對氫、氧和碳的流失情況很感興趣，因為它們與水和二氧化碳密切相關(guān)。例如，使用MAVEN和其他一些航天器的測量結(jié)果，研究人員可以對氫原子進行跟蹤，無論是低層大氣中的水蒸氣，還是從高層大氣延伸到至少 10個火星半徑的日冕，都可以探測到氫原子的流失蹤跡。

根據(jù)推斷，氫的損失率的差異在整個火星一個周期的季節(jié)變化中，可以達到一個數(shù)量級。這種變化是因為近日點附近大氣塵埃增加，導(dǎo)致溫度升高，使得水可以被帶到更高的高度從而更容易逸出。通過研究損失率隨時間的變化，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，火星上可能已有超過25米GEL的水損失到了太空中。

由于氧的來源可能是二氧化碳或水，科學(xué)家們還可以追蹤氧的流失情況。氧氣可以作為離子從高層大氣中流失，也可以通過二氧化碳或水的光化學(xué)過程的分解流失出去。碳則更難追蹤，但研究人員可以根據(jù)13C/12C同位素比、估測的氧損失率、光解離作用和一氧化碳損失率來估計碳的損失總量。這些途徑會導(dǎo)致二氧化碳的綜合損失量至少為1～2巴。

行星發(fā)電機制、化學(xué)反應(yīng)和兩極

行星科學(xué)家認為，在火星歷史的早期，太陽紫外線的輻射強度很高，氫的損失率比現(xiàn)在要大得多。太陽風(fēng)對碳和氧的剝離開始于大約41億年前，從那時起，火星磁場由于行星發(fā)電機制的消失而不復(fù)存在，大氣便開始持續(xù)受到太陽風(fēng)的沖擊。

二氧化碳可以與礦物反應(yīng)，在地殼中形成含碳礦物。在火星的地表物質(zhì)、暴露于地表的埋層物質(zhì)以及地球上發(fā)現(xiàn)的火星隕石中都探測到了這些礦物。地表碳酸鹽所含二氧化碳的量表明，那時二氧化碳在大氣中的壓強為幾十毫巴。埋于更深處的碳酸鹽可以容納1巴的二氧化碳，但由于可探測到的地點很少，其豐度難以量化。

目前，火星上的水凝固于極冠和中高緯度的地冰當(dāng)中，其中含有大約20至30米GEL的水。軌道上的航天器通過光譜可以識別出表面水合礦物中結(jié)合的水，這部分的量可能更多。

科學(xué)家們可以通過這些數(shù)據(jù)來估計隱藏在地表下的礦物質(zhì)中的水，但得出的結(jié)果存在很大的不確定性。火星總儲水量可能在130～260米GEL，但理論上的水量上限可能超過500 米。從少量暴露于表面的礦物中預(yù)測全球的儲水量是十分困難的一件事，這是不確定性如此之大的原因。

顯然，二氧化碳從大氣中轉(zhuǎn)移到太空和地殼的過程可以用來解釋早期大氣的損失。但水流失的歷史要更為復(fù)雜。除了流失到太空和地殼之外，水還會在洪水出現(xiàn)時被釋放到地表。這些水最終會隨著時間的推移而蒸發(fā)或滲入地殼，而火山物質(zhì)又會將水以氣體的形式再次釋放出來。來自極地冰蓋的水有可能通過大氣層，與中緯度地區(qū)的地冰進行交換，或在另一極重新凝固。在上述的各種情形中，參與其中的水的總量都難以量化。然而，對于是什么導(dǎo)致了火星上的氣候和水量不斷變化這個問題，盡管存在不確定性，科學(xué)家們依然可以得到相對一致的答案。

固定于地殼中的二氧化碳能否重新回到火星的大氣層中？如果有可能，溫室效應(yīng)就可以在這顆行星上再次出現(xiàn)，從而提高火星表面的溫度，并釋放出液態(tài)水。不過，火星上的大部分二氧化碳均勻分布于全球范圍內(nèi)的各處，因此需要對整個星球進行露天開采和加工才能令其釋放。

請不要放棄希望。想象一下，我們還可以在火星上人為制造出優(yōu)良高效的溫室氣體，從會產(chǎn)生巨大的溫室效應(yīng)?；蛟S，真的會有那么一天。

資料來源 Physics Today

本文作者布魯斯·雅科斯基（Bruce Jakosky）是科羅拉多大學(xué)博爾德分校的地質(zhì)學(xué)教授，也是大氣與空間物理實驗室的副主任。18 年來，他一直是美國宇航局火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)的首席研究員。