水是如何從火星逃逸的？

2020-11-15 科技領航人

火星曾經有海洋，但現在已經乾涸了，許多人想知道火星上的水是如何流失的。美國亞利桑那大學的研究人員在火星的高層大氣中發現了大量水分子，在那裡它迅速被破壞。

圖註：該圖描繪了火星早期的環境（右）（據信其中包含液態水和較厚的大氣），而今天的火星卻處於寒冷乾燥的環境（左）。

謝恩 ·斯通（Shane Stone）是UArizona月球和行星實驗室的研究生，並且是《科學》雜誌今天發表的一篇新論文的主要作者，他稱自己是行星化學家。曾經是一名實驗室化學家，他幫助開發了可以更有效地包裹和輸送治療藥物的聚合物，現在他研究行星大氣的化學。

自2014年以來，他一直從事NASA MAVEN任務，這是火星大氣層和揮發分的縮寫。自從2014年以來，MAVEN太空飛行器就開始在火星上運行，並一直在記錄地球行星鄰居的高層大氣的組成。

「我們知道數十億年前，火星表面存在液態水。」斯通說，「一定有更厚的大氣層，所以我們知道火星以某種方式失去了大部分大氣層。MAVEN試圖描畫出造成這種損失的過程的特徵，其中一部分就是確切地了解火星是如何失去水的。 」

該研究的合著者包括UArizona行星科學教授兼斯通的研究顧問羅傑·耶爾（Roger Yelle），以及來自NASA Goddard太空飛行中心和馬裡蘭州太空科學與技術研究與探索中心的研究人員。

觀察水

隨著MAVEN在火星上運行，它每隔4.5 個小時就進入地球大氣層。機載NGIMS儀器是中性氣體和離子質譜儀的縮寫，它已經在離行星表面約160公裡的火星上層大氣中，測量了稱為離子的帶電水分子的豐度。根據這些信息，科學家可以推斷出大氣中存在多少水。

過去使用MAVEN和哈勃太空望遠鏡進行的觀測表明，火星高空大氣層的水分流失隨季節而變化。與地球相比，火星繞太陽走的路徑更為橢圓形，在夏季，火星南半球最接近太陽。

斯通和他的小組發現，當火星離太陽最近時，行星變暖，並且更多的水（以冰的形式存在於地表）從地表運動到高層大氣，並在大氣中消失。這種情況每火星年一次或大約每地球兩年一次。每火星年在火星上發生的區域性沙塵暴和大約每10年發生在地球上的全球性沙塵暴會導致大氣進一步加熱，水上升運動激增。

斯通說，使這種周期性運動成為可能的過程與從火星逃逸的經典景象相矛盾，表明它是不完整的。根據經典過程，水冰會轉化為氣體，並在較低的大氣層中被太陽的光線破壞。但是，此過程將以緩慢、穩定的方式進行，不受季節或沙塵暴的影響，這與當前的觀測結果不符。

「這很重要，因為我們根本不希望在火星的高層大氣中看到任何水。」斯通說， 「如果將火星與地球進行比較，則由於存在水分滯留現象，地球上的水被限制在地表附近。它只是大氣層中的一層，其溫度足以冷凝（並阻止）向上傳播的水蒸氣。」

研究小組認為，水流已經超過了火星的溼氣現象，而後者可能太熱而無法阻止水蒸氣。一旦進入高層大氣，水分子就會很快被離子分解（他們計算得出，在四個小時之內），然後這些副產物就會流失到太空中。

斯通說：「與溫暖溼潤的地球相比，其大氣層和水流向太空的喪失是火星處於冷幹狀態的一個主要原因。來自MAVEN的最新數據揭示了如今仍然存在這種流失的一個過程，」

乾燥多塵的世界

當研究小組將研究結果推算到10億年前時，他們發現這一過程可以解釋大約430毫米深的全球海洋的損失。

「如果我們取水並將其均勻地散布在火星的整個表面上，那麼由於我們描述的新過程而失去的海洋水深將超過430毫米。」斯通說，「僅由於全球沙塵暴的影響，就會損失170毫米。」

在全球沙塵暴期間，可以將20倍以上的水輸送到高層大氣。例如，一場持續45天的全球沙塵暴向火星釋放的水量與火星在平靜的火星年（即687天）中損失的水量相同。

而且，儘管斯通和他的團隊無法推斷出距今10億年的時間，但他認為，此過程在此之前可能不一樣，因為火星很久以前就具有更強的保溼作用。

「在我們描述的過程開始運行之前，一定已經有大量的大氣逃逸到太空。」斯通說， 「我們仍然需要確定這個過程以及它何時開始起作用的影響。」

將來，斯通想研究土星衛星泰坦的大氣。「泰坦具有有趣的大氣，其中有機化學起著重要作用。」 斯通說：「作為一名前合成有機化學家，我渴望研究這些過程。」

相關焦點

  • 火星是如何失去水的?科學家:原因很簡單,被灰塵帶走的
    火星上曾有過河流 人類是如何判定火星上曾經存在過水的呢？而且在這個過程中逃逸到太空中的水蒸氣是非常少的。 所以，水一定是通過某種方式被輸送到了太空當中，否則火星內部早就形成水循環了。 那麼水是如何逃到太空的呢？ 紫外線在這個過程中發揮了一定的作用。陽光的紫外線能夠直接分解火星表面少量的水，將其變成氧和氫。
  • 火星上的水和大氣是如何消失的？
    不過，火星表面乾燥的河床，和只能由液態水的存在而形成的礦物質等證據都表明，古代火星的氣候與現在截然不同，當時應該足夠溫暖，大氣層的厚度足以保持水分，很長的一段時間內都有河水在地表流淌。那麼，火星上的水和大氣去哪了，今天就讓我們來一探究竟。水的消失：深埋地表or逃出火星？
  • 塵暴助水「逃離」火星—新聞—科學網
    2018年，火星被塵暴包圍（如圖所示），這使得水從火星上「逃逸」。圖片來源：ESA/DLR/FU BERLIN/CC BY-SA 3.0 IGO 在沙丘、礫石、隕石遍布的火星上，塵暴十分常見。 火星表面被侵蝕的河流和三角洲化石表明，數十億年前那裡有水奔流而過，而現在其中的大部分以某種方式逃逸到了太空中。但是對於如何逃逸，研究人員百思不得其解，因為水蒸氣在寒冷稀薄的大氣中沒有凝結成雪並落回星球表面是不可能飄到高處的。 近日，發表於《科學》的來自美國宇航局火星大氣和揮發性組分演化探測器（MAVEN）的最新數據，展示了劇烈的火星塵暴是如何將水泵入太空的。
  • APJL:火星局部磁場偏轉太陽風流並阻礙大氣離子逃逸
    範開等-TheAstrophysical Journal Letters：火星局部磁場偏轉太陽風流並阻礙大氣離子逃逸 行星大氣（如大氣中的氧成分）能夠通過離子逃逸的形式損失至行星際空間，這一過程經過幾十億年的累積效應，改變了大氣成分的物質比例，可能是觸發生物物種滅絕事件的誘因之一
  • APJL：火星局部磁場偏轉太陽風流並阻礙大氣離子逃逸
    範開等-TheAstrophysical Journal Letters：火星局部磁場偏轉太陽風流並阻礙大氣離子逃逸行星大氣（如大氣中的氧成分）能夠通過離子逃逸的形式損失至行星際空間，這一過程經過幾十億年的累積效應，改變了大氣成分的物質比例，可能是觸發生物物種滅絕事件的誘因之一。
  • 大氣層的逃逸,對火星會有多大的影響呢?
    火星，便是擁有大氣層的行星之一，但火星的大氣層卻有些稀薄。同時，火星沒有全球性的內秉磁場，大氣層中的電離層直接暴露在太陽風中，太陽風能夠將能量和動量直接傳遞給高層大氣、電離層，引起大氣逃逸。火星為何會有大氣逃逸呢？火星大氣層的逃逸，與火星磁異常有關。
  • 大氣層的逃逸，對火星會有多大的影響呢？
    火星，便是擁有大氣層的行星之一，但火星的大氣層卻有些稀薄。同時，火星沒有全球性的內秉磁場，大氣層中的電離層直接暴露在太陽風中，太陽風能夠將能量和動量直接傳遞給高層大氣、電離層，引起大氣逃逸。火星大氣層的逃逸，與火星磁異常有關。
  • 火星上原有的大氣和水消失去哪裡了？
    在經過火星上層大氣時，太陽風帶來的磁場會產生電場，並電離火星大氣中的原子形成離子逃逸到太空中去。雖然早期火星也擁有像地球這樣的全球性磁場，但是火星體積只有地球的15％，比地球小得多，因此火星地核冷卻得比地球快，地質活動趨緩，磁場消失，大氣變薄使液態水無法穩定存在。此前「馬文號」已經監測到太陽風和紫外線如何剝離火星上層大氣。
  • NASA公布火星水冰地圖,可開採水,人類何時才能登陸火星
    因為地球與火星之間的距離比較遠，不可能通過地球上為火星進行補給，所以，最好的方法，其實就是在火星上面尋找水資源、開發水資源。事實上，此前的研究表明，火星上面確實是存在水冰物質。新的研究也表明，在火星上面，有一些區域的水冰物質儲存量很豐富，也很方便開採。
  • 火星上的水是怎樣消失的?新研究告訴你答案
    新證據顯示，火星失水的原因，就來自它的季節變化和這些可怕的塵暴火星上乾涸的湖泊河床表明，在火星歷史早期上，如今荒涼乾燥的地表上存在過水的痕跡。然而，現在，現今火星上僅存的水只有空氣中的水蒸氣、水冰和兩極的冰帽。
  • 美國宇航局最新發布:火星周圍的電流圖,電流加速了大氣逃逸!
    在美國宇航局的MAVEN太空飛行器進入火星軌道五年後，獲得的數據才得以創建火星大氣中電流系統地圖。科羅拉多大學博爾德分校的實驗物理學家羅賓·拉姆斯塔德(Robin Ramstad)表示：這些洋流在大氣損失中發揮了重要作用，這種損失將火星從一個可以支持生命的世界，變成了一個不適宜居住的沙漠。
  • 火星沙塵暴是否會通過將水帶入太空而燒毀了地球？
    火星沙塵暴很常見，但每十年左右（由於未知原因），一場巨大的沙塵暴就席捲全球，遮蓋了整個星球。風暴可能對勘探造成致命威脅：2018年的風暴通過將其太陽能電池板覆蓋在塵埃中殺死了NASA的機會漫遊者。但是現在，研究人員說，暴風雨也可能是最終火星寒冷案例的罪魁禍首之一：曾經潮溼的星球是如何失去水的。
  • 火星上曾有海洋？從充滿戲劇性的火星尋水之旅說起......
    水是生命之源。在液態水的環境中，包括蛋白質在內的各種有機大分子才能互相混合，進而通過各種化學反應來形成更複雜的結構，最終演化成真正的生命體。到目前為止，人類還沒有發現任何一種生物能在沒有水的情況下生存。所以，人類對火星上是否有水特別感興趣，也就不足為奇了。早在 19 世紀末，就已經有人猜測火星上有水。其中的代表人物是美國人帕西瓦爾·羅威爾。
  • 導致火星地表水水失蹤幾種原因
    後續一系列對火星的探測結果表明，這個表面布滿了紅色鐵鏽的冷峻世界在過去的某個時期曾一度擁有豐富的水以及濃厚的大氣層，甚至有可能孕育出生命。那麼，究竟是什麼原因導致火星上的水消失了？導致火星上的水失蹤的原因，科學界認為有以下幾種:第一種，隕石撞擊。火星一個半球布滿了隕石坑，這說明火星確實遭遇過大規模隕石撞擊。
  • 為何地球上這麼多液態水,而火星卻幾乎不見液態水?
    火星與地球，幾乎可以說是太陽系內的一對孿生兄弟，它們的自轉、公轉周期、所處軌道與太陽間的距離相差無幾，為何地球上生機勃勃，火星上卻空蕩無比呢？地球上的這些水來自哪裡？火星上的水又去哪裡了？地球與火星含水量有多少？
  • 如何在火星上「尋水」?中科院成果讓火星「尋水」事半功倍
    「尋水」是火星探測的一條主線，定量化「尋水」將增進人類對火星宜居性的認識。記者昨天從中國科學院國家空間科學中心獲悉，該中心科學家建立了一套火星含水量和礦物豐度反演方法，可以直接服務我國2020火星探測任務，使火星「尋水」事半功倍。
  • 太陽風「吹」掉了火星「外衣」
    當太陽風擊中火星時，火星大氣損失的速率會提高10%-20%全球性的偶極磁場保護了地球的大氣　　NASA本月6日又公布在火星探索方面的一個重大發現：馬文探測器發現了火星大氣在太陽風轟擊下散失的證據。　　科學家們曾經以為，火星大氣的稀薄的部分原因，是因為其中的二氧化碳退縮在了火星土壤中。
  • 非洲撒哈拉發現一塊火星隕石,距今44億年,它將證明火星存在水
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文提到水，大家都知道它是「生命之源」，那麼，你知道水是如何出現的嗎？為何除了地球之外，很多星球上都沒有水？比方說同處於太陽系宜居帶中的火星，很多證據都表明，火星遠古時期是存在水的，那麼，如今火星上的水又去了哪裡呢？水的形成之謎地球上的水是如何形成的？
  • 如果火星上有水,那麼這些水都去哪裡了?
    即便是今天，火星極地的極冠中就蘊藏著大量水冰，如果將其全部融化，產生的水將足以覆蓋整個火星並形成一個水深至少22米的海洋！遺憾的是火星大氣太過稀薄，大氣壓太低以至於液態水無法穩定存在，因此今天的火星上，水只能以固態水冰以及少量水汽的形式存在。在過去，火星上曾經存在大量液態水，這些液態水在這顆紅色星球上形成了湖泊，河流甚至海洋。
  • 如果火星上有水 那麼這些水都去哪裡了?
    即便是今天，火星極地的極冠中就蘊藏著大量水冰，如果將其全部融化，產生的水將足以覆蓋整個火星並形成一個水深至少22米的海洋！遺憾的是火星大氣太過稀薄，大氣壓太低以至於液態水無法穩定存在，因此今天的火星上，水只能以固態水冰以及少量水汽的形式存在。在過去，火星上曾經存在大量液態水，這些液態水在這顆紅色星球上形成了湖泊，河流甚至海洋。