火星上的水和大气是如何消失的？

出品：科普中国

制作：吕博瀚 贾瑛卓 （中科院月球与深空探测总体部）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

随着人类社会的不断发展，我们对地球资源的开采力度逐渐增大，地外资源的开发和利用就必不可少。火星与地球一样处于太阳系中的宜居带内，作为距离地球最近的星球之一，由于其独特的地形地貌，以及与地球类似的某些物理特性，引起了人类对火星探测的浓厚兴趣，火星多年来也一直被科学家们视为人类移民的首选星球。要想了解人类在火星上是否可以生存，就要了解火星的环境，而其中，水和大气是最为重要的两大要素。

大约在40亿年前，地球的近邻，红色星球——火星，曾经历了温暖湿润的时期，那时，火星有较厚的大气层，地面也有河水流淌，一些科学家认为，这种环境使得早期火星成为非常特别的星球——它曾是一颗有机会孕育出生命的行星。

△地球与火星（图源：NASA）

但今天，我们观测到的火星十分干旱，早已不见曾经的湿润景象，只剩下遍布的火山、无垠的沙漠以及幽深而干燥的裂谷，液态水无法稳定地存在于火星表面，主要就是因为火星的大气层太冷太薄不能维持住水分。不过，火星表面干燥的河床，和只能由液态水的存在而形成的矿物质等证据都表明，古代火星的气候与现在截然不同，当时应该足够温暖，大气层的厚度足以保持水分，很长的一段时间内都有河水在地表流淌。那么，火星上的水和大气去哪了，今天就让我们来一探究竟。

水的消失：深埋地表or逃出火星？

为了探测火星上与水和生命有关的信息，至今人类已经发射了约50颗火星探测器。从这些探测器发回的图片我们可以看到，现在的火星表面保留了河床、三角洲、峡谷以及湖盆等可能由地表水活动形成的地貌，说明火星在远古史时期有大量地表水存在，且其对火星地形的塑造起了重要作用。

火星的水去了哪里呢？

关于火星表面水的消失过程，科学界有两种观点，一是认为火星表面的水以沉积岩的形式存在于火星地表以下；另一种观点认为，由于缺少全球性偶极磁场的保护，强烈的太阳风和辐射逐渐剥夺了火星的大气，水经过蒸发和电离变成带电粒子，沿着火星磁力线逃逸出火星大气。

“火星快车”（mars express）上搭载的“火星先进地下和电离层探测雷达系统”（MARSIS）对火星地表以下的开展精细探测，发现在火星南极高原的冰盖下1.5km深处存在直径为20km的湖泊，这项发现表明火星表层深处可能存在更多稳定的液态水，即火星拥有适合微生物等生命体生存的条件。

2011年，美国的“火星勘察轨道器”（mars reconnaissance orbiter, MRO）搭载的“高分辨率成像仪”（HiRISE）拍摄到火星表面或亚表层存在季节性斜坡纹线，经光谱分析，季节性斜坡纹区域的矿物是溶于水后再沉淀富集而成，这个结果提供了现今火星上存在液态水的有力证据。

2018年，科学杂志发表Dundas 等人的研究成果，他们在对火星中纬度地区的八处断崖地貌进行分析研究之后，发现火星中纬区域的地下1~2米至100多米存在大量的纯净水冰。

△断崖形态示例，aa'、bb'、cc'和dd'对应于右下的四幅高程剖面图，表明断崖位于塌陷和滑坡的高处（后缘）。右上是断崖部分在HiRISE的色彩加强影像中显示出的色调差异（图源：参考文献8）

被太阳风“偷走”的火星大气层

前面已经提到，科学界存在一种观点：缺少全球性偶极磁场的保护的火星，在强烈的太阳风和辐射下，它的大气被逐渐剥夺。已有的研究也表明，火星的大气层不是原生大气层，而是在火星演化过程中由火星内部的脱气过程而形成的次生大气层。很久以前，火星被一层厚厚的大气层笼罩。而现在的火星大气却变得非常稀薄，科学家们对此进行了深入的研究。

2013年11月，NASA发射了“火星大气与挥发物演化任务”（MAVEN）探测器，它的使命是调查火星大气失踪之谜，并寻找火星上早期拥有的水源及二氧化碳消失的原因。入轨一年后，NASA披露了MAVEN火星探测器关于火星大气层稀薄的两大原因：

第一，磁层作用影响大气层：地球具有内禀磁场，太阳风与地球磁层相互作用形成磁层顶，可阻止太阳风和宇宙辐射射线的进入，防止地球大气的逃逸，充当了地球的“保护伞”。但火星的磁场很弱，约为地球磁场强度的万分之一，太阳风可以直接抵达火星，“袭击”火星的大气层，NASA认为是太阳风“偷走”了火星的大气层。

第二，引力束缚影响大气层：引力的大小影响了分子的逃逸速度，火星的逃逸速度约为5.03km/s，同时太阳风的带电粒子撞击大气层中的分子，让分子具有更高的速度，使大量气体逃逸出火星大气层。

△MAVEN火星探测器（图源：NASA）

目前火星的大气层分为低层大气和高层大气，由二氧化碳、氮气、氩、氧气、一氧化碳等组成，其中主要成分为二氧化碳，体积比占95.32%，而氧气只占0.13%。火星大气逃逸主要发生在三个区域：一是太阳风吹到火星背面，占大气逃逸总量的75%；二是极区上空，占大气逃逸总量的约25%；三是绕火星的延展云层，仅占大气逃逸总量的很小部分。

△尘暴（dust devil）（图源：NASA）

火星磁场的消失，导致太阳风不光吹跑了火星的一些大气，部分水也跟着“丢了”。火星现在十分干旱，火星风与尘暴频繁，火星风的平均风速达4.3m/s,在地形交界处的风速可高达50m/s，且常常伴有强烈的尘暴，这也加速火星大气的剧烈运动和逃逸。

火星的探测还有必要吗？

为了探测火星，我们人类“用心良苦”，在已经得知火星水源稀缺、大气稀薄的情况下，继续探索火星有什么用呢？未来的火星探测又会有哪些亮点呢？

首先，火星上的水与大气的演化是一个非常复杂的过程，综合作用因素很多，为了解这个过程及特征，揭开火星的神秘面纱，还需对火星大气层成分进行更进一步的探测和研究。

其次，火星上的水冰忠实记录着火星过去的气候和地质历史，可以帮助我们深入理解火星历史气候变化，反演火星的形成与演化，追溯火星生命存在的痕迹。

另外，水冰是可以作为将来登陆火星的宇航员和火星移民的补给来源，更可以和二氧化碳（火星大气中的主要成分）进行反应，产生可供人类呼吸的氧气和可供作为火箭推进燃料的甲烷。只不过，唯一的问题是，既想着陆器获得足够的太阳能供给，又想着陆器着陆在一个富含水冰（纬度不太低）的地方，实在是挺难的！

自20世纪60年代以来，国际上已实施多次火星探测任务。尤其是在2015年NASA正式宣布确认火星表面存在季节性液态水以后，寻找火星生命痕迹和加深对火星地质演化和环境宜居性的认识，成为人们关注且亟待解决的重要科学问题。

2020年是全球火星探测活动非常密集的年份，美国的“毅力号”（Perseverance）火星车，阿联酋的“希望号”（Hope）轨道飞行器，和中国的“天问一号”首次火星探测任务都将飞往火星，去探究火星的水、大气以及生物宜居性的问题。火星探测将是中国行星探测的第一步，是深空探测领域从月球到行星的发展历程中承前启后的关键环节，也是未来迈向更远深空的必由之路。

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