NASA的哈勃和MAVEN帮助解开火星水消失之谜

曾经覆盖火星的水现在怎么样了？科学家们知道，有些水流到了地底深处，但剩下的水在哪里呢？证据显示，一些水分子碎裂成原子，穿过火星大气层，逃逸到太空中。通过结合哈勃和 MAVEN 的数据，一个研究小组测量了逃逸氢原子的数量和当前速度。

研究人员利用美国国家航空航天局的哈勃和 MAVEN 任务，通过研究氢逃逸到太空中的情况，探索了火星过去的水源。他们的发现揭示了火星大气的动态过程，并提供了与地球和金星的比较，加深了我们对行星环境的了解。资料来源：NASA、ESA、STScI、John T. Clarke（波士顿大学）、Joseph DePasquale（STScI）

他们发现，当火星靠近太阳时，氢和被称为氘的"重氢"的逃逸率会迅速发生变化。这颠覆了科学家们之前的传统看法，即认为这些原子会通过大气层缓慢地向上扩散，达到可以逃逸的高度。通过时间向后推断逸出率有助于研究小组了解红色星球上水的历史。

火星曾经是一颗非常潮湿的行星，这一点从它的地表地质特征就能看出来。科学家们知道，在过去的 30 亿年里，至少有一些水流到了地下深处，但剩下的水发生了什么呢？现在，NASA 的哈勃太空望远镜和MAVEN（火星大气与挥发物演化）任务正在帮助揭开这个谜团。

"水只有两个去处。它可以冻结在地面上，或者水分子可以分解成原子，原子可以从大气层顶部逃逸到太空中，"研究负责人、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。"要了解有多少水以及水发生了什么变化，我们需要了解原子是如何逃逸到太空中的。"

克拉克和他的团队结合哈勃和 MAVEN 的数据，测量了逃逸到太空中的氢原子的数量和当前的逃逸率。这些信息使他们能够通过时间倒推逸出率来了解红色星球上水的历史。

这是 2017 年 12 月 31 日火星距离太阳最远点（远日点）附近（上图）和 2016 年 12 月 19 日火星距离太阳最近点（近日点）附近（下图）的哈勃远紫外图像。当火星靠近太阳时，大气层明显更明亮、更延伸。这些波长的火星反射太阳光显示了大气分子和雾霾的散射，同时还能看到极地冰盖和一些表面特征。哈勃和 MAVEN 显示，火星大气条件变化非常快。当火星接近太阳时，水分子在大气中迅速上升，在高空破裂并释放出原子。资料来源：NASA、ESA、STScI、John T. Clarke（波士顿大学）、Joseph DePasquale（STScI）

火星大气中的水分子被阳光分解成氢原子和氧原子。具体来说，研究小组测量了氢原子和氘原子，氘原子是一种原子核中含有一个中子的氢原子。这个中子使氘的质量是氢的两倍。由于氘的质量更大，它逃逸到太空中的速度比普通氢慢得多。

随着时间的推移，氢比氘流失得更多，大气中氘和氢的比例逐渐增大。今天，通过测量这一比例，科学家们可以了解火星温暖潮湿时期的水含量。通过研究这些原子目前是如何逸出的，他们可以了解决定过去 40 亿年逸出率的过程，从而推断出过去的时间。

美国国家航空航天局的火星大气与挥发演化（MAVEN）航天器艺术家概念图。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

虽然这项研究的大部分数据来自 MAVEN 航天器，但 MAVEN 的灵敏度还不足以观测到火星一年中所有时间的氘发射。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摆动，氘的辐射变得很微弱。克拉克和他的团队需要哈勃的数据来"填补空白"，完成三个火星年（每个火星年为 687 个地球日）的年周期。哈勃还提供了追溯到1991年的额外数据--在MAVEN于2014年抵达火星之前。

这些任务之间的数据组合首次提供了氢原子逃逸火星进入太空的全貌。

克拉克解释说："近年来，科学家们发现，火星的年周期比人们在 10 年或 15 年前所预期的要动态得多。整个大气层非常动荡，升温和降温的时间尺度很短，甚至只有几个小时。在火星一年的时间里，太阳在火星上的亮度变化40%，大气也随之膨胀和收缩。"

研究小组发现，当火星接近太阳时，氢和氘的逃逸率会迅速发生变化。在科学家们以前的经典想象中，这些原子被认为会通过大气层缓慢地向上扩散，达到可以逃逸的高度。

但是，这幅图不再能准确地反映整个情况，因为科学家们现在知道，大气条件变化非常快。当火星靠近太阳时，作为氢和氘来源的水分子会迅速穿过大气层，在高空释放出原子。

第二个发现是氢和氘的变化如此之快，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离火星引力。当有东西给原子带来额外的能量时，就会产生速度更快（超热）的原子。这些事件包括进入大气层的太阳风质子碰撞，或太阳光推动高层大气中的化学反应。

研究火星上水的历史不仅对于了解我们太阳系中的行星，而且对于了解其他恒星周围地球大小的行星的演化都是至关重要的。天文学家发现了越来越多这样的行星，但很难对它们进行详细研究。火星、地球和金星都位于或接近太阳系的宜居带，这是恒星周围的一个区域，岩石行星上可能有液态水汇集；然而，这三颗行星目前的状况却大相径庭。火星和它的姊妹行星一起，可以帮助科学家掌握银河系中遥远世界的性质。

这些结果刊登在 7 月 26 日美国科学促进会出版的《科学进展》（Science Advances）杂志上。

DOI: 10.1126/sciadv.adm7499

编译自/ScitechDaily

哈勃太空望远镜于三十多年前发射升空，至今仍是太空探索领域的宝贵财富，不断促进我们对宇宙的了解。该望远镜由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心管理，洛克希德-马丁航天公司提供支持，是国际合作的灯塔，与欧洲航天局共同运营。位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所负责科学运营，使哈勃望远镜成为天文研究和国际合作的基石。

MAVEN由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心管理，洛克希德-马丁航天公司建造，自2014年以来一直围绕火星运行并研究其大气层。该任务的首席研究员及其科学运营管理均设在科罗拉多大学博尔德分校的大气与空间物理实验室。这一设置为 MAVEN 了解火星大气损耗的目标提供了支持，美国国家航空航天局的喷气推进实验室则提供了额外的导航和通信协助。MAVEN 在火星的工作已接近第十个年头，它将继续为我们了解这颗红色星球贡献重要数据。