火星上的水去了哪里？一项新研究给出了答案

行星科学中尚未解答的一个主要问题清楚地刻在火星地貌上。火星上由古代河流冲刷形成的深邃峡谷表明，这颗行星曾经温暖到足以支持液态水的流动。但它是如何演变成我们今天看到的寒冷干燥的沙漠的呢？又是什么导致了这种剧烈的转变？

美国宇航局的“好奇号”探测器在攀登火星夏普山时拍摄了这张照片。一项研究对火星为何如今却一片荒芜提出了新的解释。图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS

芝加哥大学对火星科学实验室好奇号探测器的数据进行的分析或许可以解释为什么这颗行星在近代大部分时间里可能是一片荒凉的沙漠。

芝加哥大学行星科学家埃德温·凯特领导的一项新研究，为这个长期存在的谜团提供了新的解释。这项研究于7月2日发表在《自然》杂志上，提出了一个模型，表明火星经历了由太阳亮度逐渐增加引发的短暂温暖期。然而，由于火星独特的环境条件，这些温暖期持续时间很短，之后火星逐渐恢复到干燥、不适宜居住的状态。与一直保持适宜居住的地球不同，火星似乎遵循一种自然模式，随着时间的推移，火星的气候条件逐渐趋向于类似沙漠的环境。

这项研究以美国宇航局火星科学实验室好奇号任务于四月份宣布的发现为基础：火星车最终发现了富含碳酸盐矿物的岩石，这可以解释火星大气层的去向。

“多年来，我们一直有一个悬而未决的问题：为什么地球能够保持宜居性，而火星却失去了宜居性？”参与“好奇号”任务的地球物理科学副教授凯特说道。“我们的模型表明，火星宜居时期只是例外，而非常态，火星通常会像一颗沙漠星球一样自我调节。”

火星的构成与地球几乎相同——它是一颗岩石行星，拥有丰富的碳和水，距离太阳足够近，能够被太阳加热，但不会被太阳“蒸干”——然而如今它却是一片冰冻的沙漠，而地球却充满生机。多年来，科学家们一直在寻找答案，为什么你读到这篇文章是在地球上，而不是在火星。

当我们看到火星表面由河流冲刷出的山谷和古老的湖床时，谜团更加深了，这表明该星球在某个时期确实拥有足够温暖的气候，可以容纳液态水。

“幸运的是，火星表面的岩石中保留了那场环境灾难的痕迹，”凯特说。“如今我们正处于火星科学的黄金时代，两辆钚动力火星车已经登陆火星，一支国际航天器舰队正在轨道上运行，使我们能够深入探索这颗星球，寻找这些痕迹。”

说到保持地球温暖舒适，仅仅从一开始这样做是不够的——需要有能够应对地球内部和周围变化的长期稳定机制。

这些数据由美国宇航局的火星科学实验室“好奇号”探测器提供，图中显示的是它在2019年行驶过程中的“自拍”。图片来源：NASA/Caltech-JPL/MSSS

科学家认为，地球通过一个精细平衡的系统来实现这一过程，该系统将碳从天空转移到岩石，然后再返回。大气中的二氧化碳使地球变暖，但温度升高也加速了将二氧化碳锁定在岩石中的反应，最终抵消了温度上升。最终，碳通过火山喷发泄漏回大气中。数百万年来，这个循环似乎保持了地球的相对稳定，适宜生命生存。

研究人员认为，火星上也可能会发生类似的循环，但这是一个自我限制的循环。

这取决于这样一个事实：随着时间的推移，太阳亮度的上升速度非常非常缓慢——大约每十亿年上升8%。科学家们假设，随着太阳亮度的增加，火星上开始出现液态水。但随后，这些水开始导致二氧化碳被锁在岩石中，就像在地球上一样，这导致火星重新变成寒冷贫瘠的沙漠。

“与地球上总有火山喷发不同，火星目前处于火山休眠状态，火山气体释放的平均速度也很慢，”凯特解释说，“所以在这种情况下，二氧化碳的吸入和排出实际上并不平衡，因为即使只有一点点液态水，也会通过碳酸盐的形成吸收二氧化碳。”

该团队建立了广泛的模型来展示这些波动是如何发生的。他们认为，火星会经历短暂的液态水时期，随后是长达1亿年的沙漠时期。毋庸置疑，长达1亿年的宜居性差距对生命而言是不利的。

这一解释源于好奇号今年早些时候宣布在火星表面发现富含碳酸盐的岩石。科学家们解释说，多年来，这一直是火星谜团中缺失的一块。

火星要拥有液态水，就必须拥有由二氧化碳等温室气体组成的更厚的大气层。但如今火星的大气层非常稀薄，碳的去向仍是一个谜。

凯特说：“多年来，人们一直在寻找大气的坟墓。”最简单的解释是，它被吸入岩石中，就像在地球上一样，但第一次探测车测试并没有发现任何富含碳酸盐的岩石的证据。

好奇号最终登上了火星上一座名为夏普山的山峰，发现了这些碳酸盐岩。随着探索的继续，进一步的测试将揭示这些碳酸盐岩是否如研究人员猜测的那样广泛分布。

“这确实是在火星表面部署探测车之前无法得知的事情，”该研究的共同作者、卡尔加里大学教授本杰明·图托洛说道。“它们提供的化学和矿物学测量数据对于我们持续探索行星如何以及为何保持宜居至关重要，以便在宇宙中寻找其他宜居星球。”

编译自/scitechdaily