出品：放牛班的秘密花园

作者：Sail2008

责任编辑：Anyi

本周二发表在《科学》杂志上的一个研究报告称，数十亿年前火星表面的水曾经非常丰富，它们大部分可能仍然被封存在火星表面之下，而没有逃逸到太空中。该研究结果或许有助于解决关于火星上水消失原因的各种理论之间的争论。

火星上存在过水的证据遍布其岩石表面，干涸的湖床和岩层说明，火星曾经是湖泊和海洋的温暖家园，直到大片水域在30亿年前消失。

多年来，科学家们一直认为，火星上的水大部分随着火星大气层变薄而逃逸到了太空，从而使这颗星球处于目前非常干燥的状态。

但水从大气层逃逸的速度，再加上对火星表面曾有多少水的估测，与现代火星观测结果并不完全吻合，它只能解释一小部分的水分流失。

这给研究人员留下一个关键问题：火星上其余的水到底去了哪里？

封印在火星岩石中的水

事实证明，火星上的水可能既没逃逸，也没消失，而是去了相反的方向——地下。

根据发表在《科学》杂志上的一个新模型， 加州理工学院的研究人员通过火星探测器、火星车和陨石的建模和数据发现，远古时期，这颗红色星球有高达30%至99%的水可能通过一个叫做地壳水合作用的地质过程从地表消失，被封存在火星岩石中。

“好奇号”火星车本月拍摄到Mont Mercou悬崖的照片

“这项成果站在了几十年来的研究成果的肩膀上，”加州理工大学行星地质学家、这项新研究的第一作者伊娃·舍勒（Eva L. Scheller）说。“更多的观测证据引导我们越来越多地以新的方式思考火星上的水分流失问题。”

水量相当于一半大西洋

水能通过一种叫做化学风化的过程分解岩石，这种过程有时会导致矿物质的水合作用。水合矿物质吸收和储存水分并把它锁住。例如，石膏是一种在火星上自然发现的水溶性矿物质，除非在100摄氏度以上的高温下加热，否则它能截留大量水分。

该研究发现，大部分的水分流失发生在37亿到41亿年前的火星诺亚时期。在这段时间里，火星上的水除了从火星大气层逃逸外，还可能与火星地壳中的矿物质发生相互作用和融合，从而封存了相当于一半大西洋的水。

据他们估计，火星表面可能曾拥有100到1500米深度的水体，即使是这一估计的下限仍然有大量的水可供潜在的生命创造自己的家园。

所以了解它是如何消失的至关重要。知道发生了什么，我们就能更好地了解火星上哪些地方可能保存着那个时期里生命进化的证据，以及当前和未来的火星任务应当如何寻找这些证据。

地壳——从配角到主角

大多数持大气损失假设的水分流失模型一直认为，紫外线辐射会导致空气中的水分解成氢和氧。这两种元素，尤其是较轻的氢分子，会从大气层逃逸而进入太空。科学家们测量这种氢损失作为确定火星上随时间变化的失水率的指标。

他们使用了中子探测器，比如欧洲航天局（ESA）的高分辨率超热中子探测器（FREND）和俄罗斯的微量气体轨道探测器（Trace Gas Orbiter，TGO）等。

然而，这一理论存在两个问题。首先，它不能解释为什么TGO或其他任务仍然在火星地壳中探测到如此多的水。第二，到目前为止测得的氢损失率太小，无法说明火星最初的水量。

工作中的“好奇号”火星车

与此同时，我们现在对火星地壳内藏有多少水有了更好的了解。这很大程度上得益于直接研究火星岩石的“好奇号”等火星车任务，以及对落到地球上的火星陨石的实验室分析。这些数据加到一起，渐渐使科学家们更加认真地对待这个想法，即地壳在火星的水分损失中扮演了更重要的角色。

颇具刺激性的新假设

这些水不会被吸入巨大的地下海洋，相反，作为风化等过程的结果，水分子渗入到粘土等矿物结构中。同样的情况也发生在地球上。

舍勒和她的同事们提出的新模型利用当前数据来考察水是否可能已转入地下。

根据该模型，这一过程可以对火星最初10亿到20亿年30%到99%的总失水量作出解释，而大气损失可以补齐其余的失水量。

“这是个非常有趣的模型，”未参与该研究的科尔盖特大学（Colgate University）地质学家Joe Levy说。“我们看到火星上几乎到处都有含水矿物质和矿脉形成的矿物质。用迅速的化学风化来解释火星上的水去哪儿了，这种假设相当有刺激性。”

30%到99%的比例堪称巨大，这是因为我们完全不了解火星地壳中（尤其是火星全球范围内）的水含量，也不了解远古火星的大气层是什么样子，以及它在多大程度上造成或限制了大气水分的流失。该模型还试图考虑远古地质活动（如火山活动）如何影响其失水机制。

新研究对火星宜居性的意义

该模型为我们提供了火星宜居性的新线索。“这一研究成果不仅回答了水是如何从火星表面消失的，而且能回答消失的准确时间，”舍勒说。研究者们确信火星地壳中的水合矿物质有30多亿年的历史，这意味着在那之前，火星可能非常宜居。任何寻找远古生命证据的方法，最好都以早于这一时期的岩石为研究对象。

舍勒建议“好奇号”和“毅力号”等火星车都寻找这一时期的样本。尤其是肩负寻找火星生命证据这一重大任务的“毅力号”，它将探索一个有38亿年历史的湖床。

“毅力号”火星车

“毅力号”号火星车在杰泽罗陨石坑的三角洲发现一处沉积物

“它将在那里调查是什么机制导致水封存在火星地壳中这些矿物质中，”舍勒说。即使无法独自完成这项工作，它也将捕获一些样本，供科学家们在实验室里自行研究。

火星与地球：相似的开端，不同的道路

地球和火星一开始是非常相似的湿润世界，最终却走上了截然不同的道路。

水消失到地壳的水合矿物质中并非火星独有的现象，地球上一直都发生着这种情况。但地球受益于这样一个事实：地球活跃的构造板块系统在地球深处回收并加热岩石，并在此过程中释放出水，这些水通过火山活动又被送回地表。此外它还拥有厚厚的大气层，使地球保持在生命得以进化和繁衍的最佳温度。

火星没有构造板块，在40亿年前火星失去磁场后，它的大气层就遭到严重破坏。火星的地质活动也不如地球活跃，这可以解释为什么火星表面只有有限的水。火星上有水的最明显证据是火星两极的冰和大气中的微量水。

科学家们研究了月球、火星和其他行星上的水合岩石，认为它们是未来宇航员任务的饮用水或燃料的潜在来源，可以为太空基地和火箭提供动力。

舍勒说：“归根结底，关于类地行星的宜居性，要记住的是，它非常脆弱。”

Reference：

《麻省理工科技评论》：Mars’s lost water may be buried beneath the planet’s crust

《Verge》​：Mars might be hiding most of its old water underground, scientists say

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