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新数据找到火星水消失的秘密
火星的北极圈 ， 由美国宇航局火星轨道勘探飞行器拍摄（图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS）
火星以其稀薄的大气层而闻名 ， 其中二氧化碳占据主导地位 ， 并为火星提供了大部分的大气质量和压力 。 事实上 ， 这种压力与地球平流层中的压力相似 。 而平流层是大气层的一层 ， 位于地表以上30多公里处 。
但是水呢？目前在火星表面发现的水是北极的一层冰——大概几公里厚 。 它在一年中最冷的时候也表现为季节性霜冻 ， 在大气中表现为蒸汽和冰 。 然而 ， 与地球相比 ， 火星大气非常干燥 ， 水量少了大约100倍 。 虽然地球上的降水会形成几厘米厚的水层 ， 但沉淀在火星上的水只会形成不到一毫米的薄膜 。
如今 ， 新数据解释了火星上（几乎）没有水的原因 。
水从火星大气中逸出
有证据表明 ， 火星并不一直是我们今天观察到的寒冷、干旱的星球 。 在遥远的过去——大约40亿年前 ， 有大量证据表明火星表面存在水 。 那时 ， 液态水在大溪流中流动 ， 并以水池或湖泊的形式停滞不前 ， 例如毅力号火星车探索的杰泽罗陨石坑中 ， 可以找到那时水的踪迹 。
杰泽罗陨石坑 ， 毅力号于2021年2月拍摄 ， 在遥远的过去它曾是一个湖泊 。 （图片来源：NASA/JPL-Caltech）
能够让液态水循环 ， 并留下这些痕迹 ， 水一定在地表停留了足够长的时间 ， 火星上也肯定存在与我们今天看到的完全不同的气候 。 火星、地球和金星很可能是由相同的基本物质逐渐积累形成的 ， 这意味着它们在历史早期一定有很大的相似之处 。 但是 ， 虽然地球和金星保留了大部分厚厚的大气层 ， 但火星由于体积小和重力低 ， 已经失去了大部分大气层 。
这种“气体向太空流失”的说法有助于解释目前火星大气层的脆弱性 。 这种损失发生在大气中非常高的地方 ， 超过了200公里 。 那里的分子已经分解成原子 ， 而像氢这样最轻的分子 ， 由于火星的引力微弱 ， 很容易被撕裂 ， 进而暴露在太阳风的高能粒子下 ， 火星的外逸层（大气层的上层）使得相当于今天数百个大气层的大气流失到太空中 。
新数据
发表在《自然天文学》杂志上的一篇文章揭示了水流失到太空背后的微妙机制 ， 这一数据来自欧空局微量气体轨道飞行器任务 。
火星水具有非常特殊的化学成分 。 水有不同的“同位素”——在半重水HDO中 ， 一个氢原子可以被一个氘（D）原子取代 。 氘原子的重量是氢的两倍 ， 它的原子核中除了质子外 ， 还有一个称为中子的粒子 。 追溯到1980年代的测量数据表明 ， 火星水的氘相对浓度是地球上的六倍 。 这是因为氢的损失导致了较重同位素的留存 。
通过推测 ， 火星上最初的水量肯定是现在的六倍 ， 相当于覆盖了大约100米厚的液体层 。 半重水的这一比例有助于我们了解火星的年轻状态 ， 也许火星曾经拥有温暖潮湿的气候 。 这一假设是火星可居住性的先决条件 。
微量气体轨道器获得的这些结果可以告诉我们 ， 低层大气中的水和半重水是如何到达高层大气 ， 并分解成可以逃逸到太空的原子的 。 最特别的是 ， 它还可以告诉我们更多关于氢和氘进入外逸层的中间过程 。
在过去的20年中 ， 有两种理论表明氢和氘无法像在低层大气水分子中那样到达外逸层 。 然而 ， 可以实现它的中间过程有两个：一是冷凝（水蒸气变成液态水）形成火星水冰云；二是光解 ， 在紫外线的作用下可以分解水分子 ， 并释放氢或氘原子 。
最近的研究揭示 ， 冷凝实际上在逸散层的氘含量中起次要作用 。 借助火星微量气体探测轨道卫星的大气化学套件仪器及其对H20和HDO的同时测量 ， 我们能够展示氢和氘原子的来源 。 这一点尤为重要 ， 因为这些原子所处的时间和空间使得冷凝没有机会干扰光解 。
事实证明 ， 光解是氢氚原子进入外逸层的主要过程：它产生了大部分原子 ， 并决定了从火星高层大气中逸出的氢原子同位素分馏 。
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