美国宇航局航天器发现太阳能“炮弹”剥夺了火星上的水

在轨道上飞行近十年后，美国宇航局的 MAVEN 航天器首次直接观察到了科学家们长期以来一直怀疑导致火星大气层流失的过程。

这位艺术家的概念描绘了早期火星环境（右），其中有液态水和更厚的大气层，而今天看到的寒冷干燥的环境（左）。 （图片来源：NASA 的戈达德太空飞行中心）

在轨道上飞行近十年后，美国宇航局的 MAVEN 航天器首次直接观察到了科学家们长期以来一直怀疑是导致火星大气层流失的原因。

这项研究结果于 5 月 28 日发表在《科学进展》（Science Advances） 杂志上，可能有助于回答一个长期存在的问题，即火星是如何从一个拥有河流和湖泊的潜在宜居世界转变为我们今天看到的几乎冰冻的沙漠的。

尽管今天的火星干燥、寒冷且几乎没有空气，但它的表面却刻有明显的证据表明过去更加潮湿。类似于古老河谷、湖床和仅在水存在下形成的矿物的特征表明，数十亿年前流淌在火星表面的长寿湖泊，甚至可能是浅海。然而，要使液态水持续存在，火星需要更稠密的大气层来捕获热量并维持更高的表面压力。了解大气层何时以及如何消失，对于重建火星的气候演变以及确定火星可能保持宜居状态的时间至关重要。

在过去的十年里，科学家们收集了越来越多的证据表明，太阳风（太阳不断发射的电离粒子流）和辐射带走了火星大气层的大部分。这种侵蚀背后最重要的机制之一是一种称为溅射的过程，其中来自太阳风的高能粒子与行星的上层大气相撞。原则上，这些碰撞将足够的能量传递给中性原子，并帮助它们摆脱行星的引力，将它们抛入太空。

“这就像在游泳池里做炮弹，”领导这项新研究的科罗拉多大学博尔德分校 MAVEN 任务的首席研究员香农·库里 （Shannon Curry） 在一份声明中说。“在这种情况下，炮弹是重离子非常快速地撞击大气层，并将中性原子和分子溅出。”

虽然长期以来一直怀疑溅射是火星气候演变的关键因素，但这是第一次直接观察到这一过程。使用 MAVEN 航天器的 9 年数据，Curry 和她的同事捕捉到了当今火星上的溅射。

通过结合来自 MAVEN 的三台仪器的数据，研究人员创建了火星上层大气中氩（一种惰性气体）的详细地图。氩是这种大气逸出的理想示踪剂，因为它具有化学惰性、重量重且不带电。这使得它不太可能与其他大气过程相互作用，这意味着任何显著的氩损失都会成为溅射的明显示踪剂。

事实上，这项新的研究报告称，MAVEN 在太阳风粒子与火星大气相撞的高度检测到了最高浓度的氩气。根据这项新研究，它的存在远高于科学家预期它在火星引力下自然飘荡的位置，因此这些发现提供了直接证据，证明溅射正在积极地从火星上提升和移除分子。

研究指出，这个过程甚至可能是火星曾经厚厚的大气层消失的驱动力，以及随之而来的它在表面容纳液态水的能力。

根据这项新研究，MAVEN 的数据还显示，这个过程的发生速度比模型之前预测的要高四倍。它在太阳风暴期间变得更加明显，这可能让我们得以一窥在火星的早期历史中，当火星更容易受到太阳能量的影响时，这个过程可能会更加激烈。

科学家们怀疑这个过程在数十亿年前特别强烈，当时太阳更加活跃，火星已经失去了保护性磁场。没有这个磁屏蔽，火星大气层很容易受到太阳风的全部力量的影响，加速其侵蚀，并将火星推过一个临界点，液态水无法再存在。

“这些结果确定了溅射在火星大气层消失和确定火星上水的历史中的作用，”库里在声明中说。

为了完全确定溅射是否确实是火星长期气候变化的主要驱动因素，科学家们需要使用模型、同位素数据和古老的气候线索来窥视数十亿年的过去。只有这样，他们才能判断溅射是否仅仅擦过了火星大气层的边缘——还是剥夺了它。