早在1966年加州理工学院的两名科学家，正在思考稀薄二氧化碳(CO2)火星大气的含义，这是由喷气推进实验室(JPL)建造并飞行的NASA航天器水手4号首次所揭示。他们的理论是：有了这样的大气，火星可能会有一个长期稳定的极地二氧化碳冰沉积，而这反过来又将控制全球大气压。现在加州理工学院的一项新研究表明：物理学家罗伯特·B·莱顿和行星科学家布鲁斯·C·默里开发的这一理论可能确实是正确的。
二氧化碳占火星大气的95%以上，而火星的表面压力只有地球的0.6%。莱顿和默里的理论，对火星气候变化有着巨大的影响，其中一个预测是，当行星在绕太阳运行的轨道上绕轴摇摆时，火星的大气压力将会波动，使两极或多或少暴露在阳光下。阳光直射到沉积在两极的二氧化碳冰上会导致其升华（物质从固体到气态的直接转变）。
莱顿和默里预测，随着暴露在阳光下的时间发生变化，大气压力可能会在数万年的周期内，从火星大气四分之一摆动到今天的两倍。现在，加州理工学院为NASA管理的喷气推进实验室(JPL)博士彼得·布勒以及加州理工学院、喷气推进实验室和科罗拉多大学的同事提出了一个新模型，为支持这一观点提供了关键证据，其研究成果在发表在《自然天文学》期刊。
研究小组探索了火星南极存在的一个神秘特征：大量的CO2冰和水冰在交替的地层中沉积，就像蛋糕的层层一样，延伸到1公里深，顶部有一层薄薄的CO2冰。这层蛋糕沉积物中的二氧化碳含量相当于今天整个火星大气中的二氧化碳含量。从理论上讲，这种分层应该是不可能的，因为水冰比二氧化碳冰更热稳定，更暗；科学家们长期以来一直认为，如果二氧化碳冰被埋在水冰下面，它会很快变得不稳定。
然而新模型表明，沉积物的演化可能是三个因素共同作用的结果：
①行星自转倾角(或倾斜度)的变化；
②水冰和CO2冰反射阳光的方式的差异；
③CO2冰升华时大气压力的增加。
通常情况下，当运行模型时，你不会期望结果与观察到的结果如此接近。但由模型确定层的厚度，与轨道卫星的雷达测量结果非常吻合。研究人员认为，沉积物是这样形成的：在过去的51万年里，当火星在其旋转轴上摇晃时，南极接受了不同数量的阳光，当两极接受的阳光较少时，二氧化碳冰就会形成。
当两极阳光更充足的时候，它就会升华。当二氧化碳冰形成时，少量的水冰与二氧化碳冰一起被困住。当二氧化碳升华时，更稳定的水冰被留下来并固化成层。但水层并不能完全封闭沉积物。相反，升华的二氧化碳提高了火星大气压，而含有二氧化碳冰层的蛋糕与大气平衡发展。当阳光再次开始下降时，新的二氧化碳冰层就会在水层顶部形成，这样的循环就会重复。
因为升华事件的强度一般都在下降，所以在水层之间留下了一些二氧化碳冰；因此，二氧化碳和水冰的交替。最深的（因此也是最古老的）CO2层形成于51万年前，之后是最后一段极地阳光，当时所有的CO2都升华到了大气中。研究对火星巨大压力波动历史的确定，是理解火星气候演变的基础，包括火星表面附近液态水稳定性和宜居性的历史。
博科园｜研究/来自：加州理工学院
参考期刊《自然天文学》
DOI: 10.1038/s41550-019-0976-8
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