火星的大气都被吸到地壳里了？

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翻译：王婧彧

校对：申振宇 杨宜修

审阅：牧夫校对组

美编：徐玖坤

后台：胡永葳

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240925143940.htm

维京1号拍摄到的火星的稀薄大气层。

图片来源：NASA

火星并不总是我们今天看到的一片寒冷沙漠。越来越多的证据表明，数十亿年前，水曾经在这颗红色星球的表面流动。如果曾经有水存在，那么必定也有一个足够厚的大气层来防止这些水冻结。然而，大约在35亿年前，水逐渐干涸，大气层中曾经充满的二氧化碳也显著减少，最终只剩下今天附着在火星上的稀薄大气。

火星的大气究竟去了哪里？这个问题一直是火星46亿年历史中的一个核心谜团。

对于美国麻省理工学院的两位地质学家来说，答案可能藏在火星的黏土中。在《科学进展》期刊发表的一篇论文中，他们提出，火星消失的大部分大气可能被封存在火星被黏土覆盖的地壳中。

研究团队提出，当火星上存在水时，液态水可能渗透到某些类型的岩石中，触发了一系列缓慢的反应，逐渐将二氧化碳从大气中抽离并转化为甲烷——一种可以在火星由黏土构成的表面储存数亿年的碳形式。

类似的过程也在地球上的某些区域发生。研究人员利用对地球上岩石与气体相互作用的知识，推测类似的过程可能也在火星上发生。他们发现，考虑到估计的火星表面覆盖的黏土量，火星的黏土可能储存多达约1.7倍标准大气压的二氧化碳，相当于火星最初大气层的80%左右。

研究人员提出，未来火星上储存的碳有可能被回收并转化为推进剂，用于火星与地球之间的太空任务。

“我们在地球上的研究表明，类似的过程很可能也在火星上发生，大量的二氧化碳气体可能已经转化为甲烷，并被封存在黏土中，”该研究的作者、麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）地质学教授奥利弗·贾古兹（Oliver Jagoutz）说。“这些甲烷可能仍然存在，甚至在未来可以作为火星上的能源。”

该研究的主要作者是2024年EAPS毕业的博士约书亚·默里（Joshua Murray）。

在皱褶中

贾古兹在麻省理工学院的团队致力于识别驱动地球岩石圈演化的地质过程和相互作用——岩石圈是包括地壳和上地幔的硬而脆的外层，也是构造板块所在之处。

2023年，他和默里集中研究了一种叫做蒙脱石的表面黏土矿物，它以极强的碳捕获能力著称。在单颗蒙脱石颗粒中有许多褶皱，碳可以在其中稳定地存留数十亿年。他们表明，地球上的蒙脱石很可能是构造活动的产物，而一旦暴露在表面，这些黏土矿物会吸收并储存足够的大气二氧化碳，从而在数百万年内冷却地球。

在团队发布研究结果后不久，贾古兹偶然看到了火星表面的地图，意识到火星表面的大部分区域也覆盖着类似的蒙脱石黏土。这些黏土是否也在火星上发挥了类似的碳捕获作用？如果是这样，这些黏土能够储存多少碳？

“每一个角落”

与地球不同的是，火星上没有大陆板块的移动和抬升作用来将岩石从地幔带到表面。团队根据科学家对火星历史和组成的了解，去寻找火星上形成黏土的其他途径。

例如，对火星表面进行的某些遥感测量表明，火星地壳的某些部分包含超镁铁质火成岩，这些岩石与地球上产生蒙脱石的岩石相似。其他观测还揭示了类似于地球上河流和支流的地质特征，水可能曾在这些地方流动并与下层岩石发生反应。

贾古兹和默里猜想，水是否可能与火星深处的超镁铁质岩石发生反应，从而产生覆盖火星表面的黏土。他们基于地球上火成岩与其环境相互作用的已知方式，建立了一个简单的岩石化学模型。

他们将该模型应用于火星，科学家们认为火星的地壳主要由富含橄榄石的火成岩组成。假设火星表面的水存在至少10亿年，且大气中充满了二氧化碳，研究团队利用该模型估算了富含橄榄石的岩石可能经历的变化。

“在火星历史的那个时期，我们认为二氧化碳无处不在，渗透到每个角落，而水也充满了二氧化碳，”默里说。

在大约10亿年时间里，水慢慢地渗透到地壳中，与富含还原铁的橄榄石矿物发生反应。水中的氧原子与铁结合，释放出氢，并形成了氧化铁，使火星呈现出标志性的红色。随后，这些游离的氢与水中的二氧化碳结合，形成甲烷。随着时间的推移，橄榄石会逐渐转化为另一种富含铁的岩石，即蛇纹石，蛇纹石进一步与水反应，形成蒙脱石。

“这些蒙脱石黏土有巨大的储存碳的能力，”默里说。“于是我们利用对地球上这些矿物如何储存在黏土中的了解，推测出如果火星表面有这么多黏土，那么这些黏土可以储存多少甲烷？”

他和贾古兹发现，如果火星覆盖着一层1100米厚的蒙脱石黏土，那么这些黏土可能储存着相当于火星自干涸以来消失的二氧化碳的大部分甲烷。

“我们发现估计的火星全球黏土体积与火星最初的二氧化碳有相当一部分作为有机化合物被封存在富含黏土的地壳中的推测相符，”默里说。“在某种程度上，火星消失的大气层可能就隐藏在眼前。”

这项工作得到了美国国家科学基金会的部分支持。

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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图片来源：NASA/JPL-Caltech/Cornell Univ./Arizona State Univ

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