空間物理與空間環境

火星大氣碳元素消失之謎揭曉

時間:2016-05-04  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

火星周圍籠罩著一層稀薄的大氣層,其中的主要成分是二氧化碳——大氣層因過于稀薄,無法避免水凍結或快速蒸發。但是,科學家根據地理學證據斷定古老的火星比之今日要更加溫和濕潤。多位研究人員曾提出,該行星曾被非常厚的二氧化碳大氣層籠罩著,使得氣候非常溫和。幾十年來,“那些碳都去了哪里”仍是一個未解之謎。

火星的大部分古老大氣都被太陽風剝離,時至今日,太陽風仍以每天數噸的速度不斷剝離。但令科學家困惑的是,為什么目前仍未發現更多以碳酸鹽(火星巖石中)形式存在的碳。他們也一直在力圖解釋現代火星大氣中較重碳元素和較輕碳元素之間的比例。

加州理工學院和NASA噴氣推進實驗室(均位于帕薩迪納市)的科學家小組今日在《自然通訊》雜志上發表了一篇文章,對“消失的”碳做出了解釋。

他們認為,38億年前,火星大氣的密度原本可能較為適中。這種大氣——表面壓力等于或小于地面上的壓力——演變成了現在這種稀薄的大氣。文章不僅解釋了碳“消失”的問題,還與觀測到的碳13與碳12的比例相一致。碳13和碳12的唯一區別在于碳核中的中子數量。“我們的文章說明,從密度適中的大氣演變成現在這種稀薄的大氣是完全可能的,”主筆人、加州理工學院博士后研究員胡倫宇說。“令人興奮的是,我們所掌握的關于火星大氣的信息現在終于可以拼接成一幅連貫的演變圖。”

在考慮早期火星大氣如何演變成現在的狀態時,我們需要知道,可能存在兩種物理過程清除了多余的二氧化碳。也就是,二氧化碳融進了巖石礦物,即碳酸鹽,或消失在了太空中。

2015年8月的一項研究使用了多個火星軌道飛行器的數據查找碳酸鹽,發現約38億年前古河道網比較活躍期間,向上半英里(一公里)或地殼附近的區域均不含有早期較厚大氣層中消失的碳。

逃逸到太空的假設也存在著疑問。因為很多過程都可能改變大氣中碳13與碳12同位素的相對數量,“我們可以將這些不同時間點的比率測量值用作標記,來精確推斷以前的火星大氣發生了什么,”胡倫宇說。隕石含有火星深處火山噴發所釋放的氣體,而第一個約束就是由這些隕石中的比率測量值所設定的,借此可洞悉原始火星大氣層最開始的同位素比率。現在的比率是由NASA好奇號火星車上的火星樣本分析(SAM)儀測得的。

二氧化碳從火星大氣層逃逸到太空的一種方式是“濺射”,其中涉及到了太陽風和高層大氣的相互作用。NASA火星大氣與揮發演化(MAVEN)任務最近發現的結果表明,每秒大約有四分之一磅(約100克)的顆粒通過該過程被剝離出今天的火星大氣層,這可能就是大氣消失的主要驅動因素。濺射過程中消失的碳12略高于碳13,但該影響無足輕重。好奇號火星車的測量表明,今天的火星大氣含有的碳13(與碳12相比)比單一濺射影響下的含量要高,所以其中肯定還有其他過程在發揮作用。

胡倫宇和他的合著者發現了一種物理過程,它可能極大地促進了碳13的富集。在該過程中,太陽紫外(UV)線首先穿透高層大氣中的二氧化碳,使二氧化碳分解成一氧化碳和氧。然后,紫外線又穿透一氧化碳,將其分解成碳和氧。以這種方式產生的部分碳原子有足夠的能量得以逃離大氣層,并且新的研究表明,碳12逃逸的可能性要遠遠高于碳13。

研究人員通過模擬該“紫外光解”過程的長期影響,發現通過該過程實現的一小部分逃逸非常明顯地體現在了碳同位素中。研究人員也因此推測38億年前的大氣層表面壓力可能小于今天的地球大氣層。

“這解決了長期以來的悖論”,加州理工學院和噴氣推進實驗室的Bethany Ehlmann說,他也是今天的文章和八月份一期碳酸鹽相關文章的合著者。“假定的較厚大氣層似乎暗示著你需要這么大的表面碳庫,但紫外光解過程的效率卻意味著實際上并不存在悖論。你可以使用我們所理解的常規消失過程,并借助探測到的碳酸鹽含量信息,然后找到一個說得通的火星演變假設。”

 

圖示為碳元素在火星內部、表面巖石、極冠、水域和大氣層之間的交換路徑,碳元素從大氣層中消失的物理過程,以及該過程對同位素比率的強烈影響。

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