火星在形成之初，便已不再有磁场存在。其后，由于太阳的紫外线光子以及太阳风的驱动，火星上的大气和水逐渐消失在太空中。

今天的火星是一个寒冷干燥的星球。它的平均温度比水的冰点还要低50 K。并且火星上的大气太过稀薄，水无法以液体的形式存在。然而，地质证据表明，古代火星表面存在丰富的液态水。这颗行星表面的特征告诉我们，在火星历史的早期，曾经有河流、溪流和海岸线存在（见图1）。

图 1 古代火星上存在液态水的地质证据。a. 古老地表上的山谷网络，通常认为是由稳定的液态水逐渐塑造形成的。b. 一处河流三角洲，它是由水流入耶泽罗陨石坑后沉积下来的岩屑形成的

在那时的火星表面，阳光比现在要弱30%。这说明，当时一定存在可以使火星表面变暖的极厚的温室大气。二氧化碳占现在大气总量的96%，虽然它可能并不是火星上唯一的温室气体，但它应该是造成温室效应的最主要因素。较早的极厚大气中的二氧化碳都去了哪里？塑造河床、侵蚀地表的水去哪儿了？水和二氧化碳能否重新回到大气中并使得火星再次变暖？

大气中的二氧化碳的压强只要能达到几个巴，就可以将温度提高到冰的熔点。而火星最初时的压强可能多达20个巴。作为对比，地球表面的总大气压约为1巴。火星的含水量可以用全球等效水层（GEL）表示。如果所有水都以液体形式均匀分布于行星表面，则水的深度即为GEL。可观测到的火星形态特征表明，火星至少具有50米的GEL。水也可能以地下水或冰的形式存在于地壳中，其数量足以使得GEL升高近一个数量级，即火星的GEL应有500米。而如果地球上的水遍布整个地表，将形成大约2公里厚的水层。

火星大气与挥发物演化任务

行星失去表面的水和二氧化碳的方式有两种。太阳及其太阳风可以将大气顶部的水蒸气和气态二氧化碳带入太空。这两种化合物也可以扩散到地下，与地壳物质反应，形成富含二氧化碳和水的矿物。

自 2014 年以来，火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）的航天器一直在跟踪探测火星大气的剥离情况。尽管如今大气正在以大约2～3千克/秒的速度流失气体，但在火星的早期历史上，当太阳的极端紫外线和太阳风更加强烈时，大气流失的速度要比这高得多。通过观察目前的流失过程，并结合太阳的历史，行星科学家可以推算出之前的损失率，并估算得到总损失量随时间的变化。

他们利用观测到的较重的稳定同位素对，比如D/H、13C/12C、15N/14N、38Ar/36Ar，来推断每种气体的损失比例。一般而言，较轻的同位素更容易流失到太空中，并留下更高浓度的较重同位素。

科学家对氢、氧和碳的流失情况很感兴趣，因为它们与水和二氧化碳密切相关。例如，使用MAVEN和其他一些航天器的测量结果，研究人员可以对氢原子进行跟踪，无论是低层大气中的水蒸气，还是从高层大气延伸到至少 10个火星半径的日冕，都可以探测到氢原子的流失踪迹。

根据推断，氢的损失率的差异在整个火星一个周期的季节变化中，可以达到一个数量级。这种变化是因为近日点附近大气尘埃增加，导致温度升高，使得水可以被带到更高的高度从而更容易逸出。通过研究损失率随时间的变化，科学家们发现，火星上可能已有超过25米GEL的水损失到了太空中。

由于氧的来源可能是二氧化碳或水，科学家们还可以追踪氧的流失情况。氧气可以作为离子从高层大气中流失，也可以通过二氧化碳或水的光化学过程的分解流失出去。碳则更难追踪，但研究人员可以根据13C/12C同位素比、估测的氧损失率、光解离作用和一氧化碳损失率来估计碳的损失总量。这些途径会导致二氧化碳的综合损失量至少为1～2巴。

行星发电机制、化学反应和两极

行星科学家认为，在火星历史的早期，太阳紫外线的辐射强度很高，氢的损失率比现在要大得多。太阳风对碳和氧的剥离开始于大约41亿年前，从那时起，火星磁场由于行星发电机制的消失而不复存在，大气便开始持续受到太阳风的冲击。

二氧化碳可以与矿物反应，在地壳中形成含碳矿物。在火星的地表物质、暴露于地表的埋层物质以及地球上发现的火星陨石中都探测到了这些矿物。地表碳酸盐所含二氧化碳的量表明，那时二氧化碳在大气中的压强为几十毫巴。埋于更深处的碳酸盐可以容纳1巴的二氧化碳，但由于可探测到的地点很少，其丰度难以量化。

目前，火星上的水凝固于极冠和中高纬度的地冰当中，其中含有大约20至30米GEL的水。轨道上的航天器通过光谱可以识别出表面水合矿物中结合的水，这部分的量可能更多。

科学家们可以通过这些数据来估计隐藏在地表下的矿物质中的水，但得出的结果存在很大的不确定性。火星总储水量可能在130～260米GEL，但理论上的水量上限可能超过500 米。从少量暴露于表面的矿物中预测全球的储水量是十分困难的一件事，这是不确定性如此之大的原因。

显然，二氧化碳从大气中转移到太空和地壳的过程可以用来解释早期大气的损失。但水流失的历史要更为复杂。除了流失到太空和地壳之外，水还会在洪水出现时被释放到地表。这些水最终会随着时间的推移而蒸发或渗入地壳，而火山物质又会将水以气体的形式再次释放出来。来自极地冰盖的水有可能通过大气层，与中纬度地区的地冰进行交换，或在另一极重新凝固。在上述的各种情形中，参与其中的水的总量都难以量化。然而，对于是什么导致了火星上的气候和水量不断变化这个问题，尽管存在不确定性，科学家们依然可以得到相对一致的答案。

固定于地壳中的二氧化碳能否重新回到火星的大气层中？如果有可能，温室效应就可以在这颗行星上再次出现，从而提高火星表面的温度，并释放出液态水。不过，火星上的大部分二氧化碳均匀分布于全球范围内的各处，因此需要对整个星球进行露天开采和加工才能令其释放。

请不要放弃希望。想象一下，我们还可以在火星上人为制造出优良高效的温室气体，从会产生巨大的温室效应。或许，真的会有那么一天。

资料来源 Physics Today

——————

本文作者布鲁斯 · 雅科斯基（Bruce Jakosky）是科罗拉多大学博尔德分校的地质学教授，也是大气与空间物理实验室的副主任。18年来，他一直是美国宇航局火星大气与挥发物演化任务的首席研究员。