火星液态水是如何被发现的：火星水的消失之谜解开

火星液态水是如何被发现的：火星水的消失之谜解开众所周知，水分子是由氢原子和氧原子构成的，但并非所有的氢原子都是相同的。绝大多数氢原子的原子核里只有一个质子，而还有一小部分（大约0.02％）的氢以氘（deuterium）的形式存在，也就是所谓的“重氢”，它的原子核里除了有一个质子还有一个中子。相比重氢，只有一个质子而没有中子的氢更容易逃脱行星的引力进入太空，因此，如果行星上的水是通过高层大气流失的，那么在行星大气中的氘-氢比中就会留下明显的迹象：会有大量的氘遗留下来。研究团队利用了NASA行星数据系统（Planetary Data System，PDS）中存储的大量交叉任务数据，整合了来自多个NASA火星探测计划（Mars Exploration Program）任务和陨石实验室工作的数据。具体来说，研究团队考察了火星上各种形式的水，包括水蒸气、液态水和冰，研究了不同形式水量随时间推移的变化，以及火星当前大气和地壳的化学成分，特别是氘与

火星的全局视图，由大约100张海盗号轨道器（Viking Orbiter）拍摄的图像组成。

图片来源：NASA /加州理工-喷气推进实验室/美国地质调查局（USGS）

一项最新的研究成果表明，大量的火星水并没有逃逸进入太空，而是被藏在了火星地壳里。

已知的火星地质证据表明，在数十亿年前，火星上曾流淌着大量的水，汇聚形成了池塘、湖泊和深海。而如今，美国航空航天局（NASA）资助的一项新研究表明，火星曾经拥有的水资源，仍有大量（约30％~99％）被藏在火星地壳的矿物质之中，这一结论挑战了现有的理论，即由于火星的的引力较低，火星原有的水逃逸进入了太空。

科学家认为，早期的火星水资源充足，能够以大约100~1500米深的海洋覆盖整个火星表面，体积大致相当于地球大西洋的一半。随着时间的推移，其中一些水无疑会通过大气逃逸从火星上消失在太空里，然而，最新一期《科学》（Science）杂志上发表的新论文（DOI: 10.1126/science.abc7717）却得出结论：这些逃逸掉的水并不能解释火星为何失去了它绝大部分的水资源。

相关研究结果已发表于第52届月球与行星科学会议（Lunar and Planetary Science Conference，LPSC），研究团队包括论文的第一作者、加州理工学院（Caltech）的博士候选人埃娃·舍勒（Eva Scheller）；共同作者、加州理工学院行星科学教授、凯克空间研究所（Keck Institute for Space Studies）副所长贝萨妮·埃尔曼（Bethany Ehlmann）；共同作者、加州理工学院行星科学教授、NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）高级研究科学家容毓（音译，Yuk Yung）；共同作者、加州理工学院研究生达妮卡·亚当斯（Danica Adams）；以及共同作者、喷气推进实验室研究科学家胡仁宇。

舍勒说：“大气逃逸并不能完全解释我们所掌握的火星曾经实际存在水量的相关数据。”

研究团队利用了NASA行星数据系统（Planetary Data System，PDS）中存储的大量交叉任务数据，整合了来自多个NASA火星探测计划（Mars Exploration Program）任务和陨石实验室工作的数据。具体来说，研究团队考察了火星上各种形式的水，包括水蒸气、液态水和冰，研究了不同形式水量随时间推移的变化，以及火星当前大气和地壳的化学成分，特别是氘与氢的比率（D/H ratio）。

众所周知，水分子是由氢原子和氧原子构成的，但并非所有的氢原子都是相同的。绝大多数氢原子的原子核里只有一个质子，而还有一小部分（大约0.02％）的氢以氘（deuterium）的形式存在，也就是所谓的“重氢”，它的原子核里除了有一个质子还有一个中子。相比重氢，只有一个质子而没有中子的氢更容易逃脱行星的引力进入太空，因此，如果行星上的水是通过高层大气流失的，那么在行星大气中的氘-氢比中就会留下明显的迹象：会有大量的氘遗留下来。

但如果火星的水只通过大气层流失，则既不能解释火星大气层中观察到的氘-氢比，也不能解释曾经存在过的大量火星水。因此有别于现有的火星水大气逃逸理论，研究建议将两种机制结合在一起，也就是一部分水被火星地壳中的矿物质捕获结合了，还有一部分水通过大气流失了，这样一来就能解释火星大气中观察到的氘-氢比数据。

当水接触到岩石，在化学风化的作用下会形成黏土和其他含水矿物，这些矿物质中的水常作为矿物结构的一部分，和矿物结晶结合在一起。这一过程在地球和火星上均有发生：在地球上，旧地壳不断融化到地幔中，并在板块边界形成新地壳，通过火山作用将水和其他分子循环回大气中；但是火星没有板块构造，因风化作用进入地壳的水无法通过循环流出，只能被“锁”在地壳中，直到地面因大气逃逸完全干燥。

“我们地球上的水合物质，正在不断通过板块构造循环，”NASA火星探测计划首席科学家迈克尔·迈耶（Michael Meyer）说，“由于我们拥有多个火星探测器的测量结果，所以我们能够了解到火星上没有类似的循环，因此对如今的火星而言，水可能被锁在地壳中或是流失到太空里了。”

舍勒和她的同事利用火星探测器的观测数据和火星陨石的数据，绘制出了火星古代海洋中水的可能去向。模型表明，在火星历史的前10亿至20亿年中，星球表面大约有三分之一的水几乎全部掺入了地壳的矿物质中；当火星表面的岩石发生风化作用时，矿物质让这些水“藏匿”了起来，免于被大气带走。

NASA火星2020（Mars 2020）毅力号（Perseverance）火星车任务的主要目标是天体生物学，包括寻找火星古代微生物生活的迹象。毅力号将对火星的地质和古气候进行表征，为未来的人类火星探索铺平道路，除此之外，毅力号还是收集并储存火星岩石和表层土壤（regolith，破碎的岩石和尘土）的第一项任务。

舍勒和埃尔曼将参与毅力号火星车的操作，收集未来会通过火星样本返回（Mars Sample Return）计划送回地球的样本，这将推进我们高度期待的进一步研究，来验证这些火星气候变化驱动因素的相关假设。对于理解返回样本的分析结果，以及了解岩石行星上的可居住性如何随时间变化，火星环境的演变研究是重要的背景。

新发表的论文所概述的研究和发现，还强调了早期职业科学家在扩展我们对太阳系的理解方面所作出的重大贡献。类似的，这项研究成果建立在陨石、望远镜、卫星观测数据以及火星探测器探测到的样品所获得的数据基础之上，这说明了综合应用多种方法探测火星的重要性。

这项工作得到了多个奖项的支持，包括NASA宜居世界奖（Habitable Worlds award）、NASA地球与空间科学奖学金（Earth and Space Science Fellowship，NESSF），以及NASA地球与空间科学与技术未来研究者（Future Investigator in NASA Earth and Space Science and Technology，FINESST）奖项。

参考来源：

[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

来源：NASA爱好者

来源： 国家空间科学中心