火星水的“消失”之謎解開？或有多達99％如今藏在火星地殼中

火星的全局視圖，由大約100張海盜號軌道器（Viking Orbiter）拍攝的圖像組成。

圖片來源：NASA /加州理工-噴氣推進實驗室/美國地質調查局（USGS）

一項最新的研究成果表明，大量的火星水並沒有逃逸進入太空，而是被藏在了火星地殼裡。

已知的火星地質證據表明，在數十億年前，火星上曾流淌着大量的水，匯聚形成了池塘、湖泊和深海。而如今，美國航空航天局（NASA）資助的一項新研究表明，火星曾經擁有的水資源，仍有大量（約30％~99％）被藏在火星地殼的礦物質之中，這一結論挑戰了現有的理論，即由於火星的的引力較低，火星原有的水逃逸進入了太空。

科學家認爲，早期的火星水資源充足，能夠以大約100~1500米深的海洋覆蓋整個火星表面，體積大致相當於地球大西洋的一半。隨着時間的推移，其中一些水無疑會通過大氣逃逸從火星上消失在太空裡，然而，最新一期《科學》（Science）雜誌上發表的新論文（DOI: 10.1126/science.abc7717）卻得出結論：這些逃逸掉的水並不能解釋火星爲何失去了它絕大部分的水資源。

相關研究結果已發表於第52屆月球與行星科學會議（Lunar and Planetary Science Conference，LPSC），研究團隊包括論文的第一作者、加州理工學院（Caltech）的博士候選人埃娃·舍勒（Eva Scheller）；共同作者、加州理工學院行星科學教授、凱克空間研究所（Keck Institute for Space Studies）副所長貝薩妮·埃爾曼（Bethany Ehlmann）；共同作者、加州理工學院行星科學教授、NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）高級研究科學家容毓（音譯，Yuk Yung）；共同作者、加州理工學院研究生達妮卡·亞當斯（Danica Adams）；以及共同作者、噴氣推進實驗室研究科學家胡仁宇。

舍勒說：“大氣逃逸並不能完全解釋我們所掌握的火星曾經實際存在水量的相關數據。”

研究團隊利用了NASA行星數據系統（Planetary Data System，PDS）中存儲的大量交叉任務數據，整合了來自多個NASA火星探測計劃（Mars Exploration Program）任務和隕石實驗室工作的數據。具體來說，研究團隊考察了火星上各種形式的水，包括水蒸氣、液態水和冰，研究了不同形式水量隨時間推移的變化，以及火星當前大氣和地殼的化學成分，特別是氘與氫的比率（D/H ratio）。

衆所周知，水分子是由氫原子和氧原子構成的，但並非所有的氫原子都是相同的。絕大多數氫原子的原子核裡只有一個質子，而還有一小部分（大約0.02％）的氫以氘（deuterium）的形式存在，也就是所謂的“重氫”，它的原子核裡除了有一個質子還有一箇中子。相比重氫，只有一個質子而沒有中子的氫更容易逃脫行星的引力進入太空，因此，如果行星上的水是通過高層大氣流失的，那麼在行星大氣中的氘-氫比中就會留下明顯的跡象：會有大量的氘遺留下來。

但如果火星的水只通過大氣層流失，則既不能解釋火星大氣層中觀察到的氘-氫比，也不能解釋曾經存在過的大量火星水。因此有別於現有的火星水大氣逃逸理論，研究建議將兩種機制結合在一起，也就是一部分水被火星地殼中的礦物質捕獲結合了，還有一部分水通過大氣流失了，這樣一來就能解釋火星大氣中觀察到的氘-氫比數據。

當水接觸到岩石，在化學風化的作用下會形成黏土和其他含水礦物，這些礦物質中的水常作爲礦物結構的一部分，和礦物結晶結合在一起。這一過程在地球和火星上均有發生：在地球上，舊地殼不斷融化到地幔中，並在板塊邊界形成新地殼，通過火山作用將水和其他分子循環回大氣中；但是火星沒有板塊構造，因風化作用進入地殼的水無法通過循環流出，只能被“鎖”在地殼中，直到地面因大氣逃逸完全乾燥。

“我們地球上的水合物質，正在不斷通過板塊構造循環，”NASA火星探測計劃首席科學家邁克爾·邁耶（Michael Meyer）說，“由於我們擁有多個火星探測器的測量結果，所以我們能夠了解到火星上沒有類似的循環，因此對如今的火星而言，水可能被鎖在地殼中或是流失到太空裡了。”

舍勒和她的同事利用火星探測器的觀測數據和火星隕石的數據，繪製出了火星古代海洋中水的可能去向。模型表明，在火星曆史的前10億至20億年中，星球表面大約有三分之一的水幾乎全部摻入了地殼的礦物質中；當火星表面的岩石發生風化作用時，礦物質讓這些水“藏匿”了起來，免於被大氣帶走。

NASA火星2020（Mars 2020）毅力號（Perseverance）火星車任務的主要目標是天體生物學，包括尋找火星古代微生物生活的跡象。毅力號將對火星的地質和古氣候進行表徵，爲未來的人類火星探索鋪平道路，除此之外，毅力號還是收集並儲存火星岩石和表層土壤（regolith，破碎的岩石和塵土）的第一項任務。

舍勒和埃爾曼將參與毅力號火星車的操作，收集未來會通過火星樣本返回（Mars Sample Return）計劃送回地球的樣本，這將推進我們高度期待的進一步研究，來驗證這些火星氣候變化驅動因素的相關假設。對於理解返回樣本的分析結果，以及瞭解岩石行星上的可居住性如何隨時間變化，火星環境的演變研究是重要的背景。

新發表的論文所概述的研究和發現，還強調了早期職業科學家在擴展我們對太陽系的理解方面所作出的重大貢獻。類似的，這項研究成果建立在隕石、望遠鏡、衛星觀測數據以及火星探測器探測到的樣品所獲得的數據基礎之上，這說明了綜合應用多種方法探測火星的重要性。

這項工作得到了多個獎項的支持，包括NASA宜居世界獎（Habitable Worlds award）、NASA地球與空間科學獎學金（Earth and Space Science Fellowship，NESSF），以及NASA地球與空間科學與技術未來研究者（Future Investigator in NASA Earth and Space Science and Technology，FINESST）獎項。

參考來源：

[1] https://www.nasa.gov/feature/jpl/new-study-challenges-long-held-theory-of-fate-of-mars-water/

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-021-00683-y

[3] https://science.sciencemag.org/content/early/2021/03/15/science.abc7717

來源：NASA愛好者