火星上的水和大气是如何消失的？
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：吕博瀚、贾瑛卓，题图来自：视觉中国
随着人类社会的不断发展，我们对地球资源的开采力度逐渐增大，地外资源的开发和利用就必不可少。火星与地球一样处于太阳系中的宜居带内，作为距离地球最近的星球之一，由于其独特的地形地貌，以及与地球类似的某些物理特性，引起了人类对火星探测的浓厚兴趣，火星多年来也一直被科学家们视为人类移民的首选星球。要想了解人类在火星上是否可以生存，就要了解火星的环境，而其中，水和大气是最为重要的两大要素。
大约在40亿年前，地球的近邻，红色星球——火星，曾经历了温暖湿润的时期，那时，火星有较厚的大气层，地面也有河水流淌，一些科学家认为，这种环境使得早期火星成为非常特别的星球——它曾是一颗有机会孕育出生命的行星。
地球与火星（图片来源：NASA）
但今天，我们观测到的火星十分干旱，早已不见曾经的湿润景象，只剩下遍布的火山、无垠的沙漠以及幽深而干燥的裂谷，液态水无法稳定地存在于火星表面，主要就是因为火星的大气层太冷太薄不能维持住水分。
不过，火星表面干燥的河床，和只能由液态水的存在而形成的矿物质等证据都表明，古代火星的气候与现在截然不同，当时应该足够温暖，大气层的厚度足以保持水分，很长的一段时间内都有河水在地表流淌。那么，火星上的水和大气去哪了，今天就让我们来一探究竟。
水的消失：深埋地表or逃出火星？
为了探测火星上与水和生命有关的信息，至今人类已经发射了约50颗火星探测器。从这些探测器发回的图片我们可以看到，现在的火星表面保留了河床、三角洲、峡谷以及湖盆等可能由地表水活动形成的地貌，说明火星在远古史时期有大量地表水存在，且其对火星地形的塑造起了重要作用。
火星的水去了哪里呢？
关于火星表面水的消失过程，科学界有两种观点，一是认为火星表面的水以沉积岩的形式存在于火星地表以下；另一种观点认为，由于缺少全球性偶极磁场的保护，强烈的太阳风和辐射逐渐剥夺了火星的大气，水经过蒸发和电离变成带电粒子，沿着火星磁力线逃逸出火星大气。
“火星快车”（Mars Express）上搭载的“火星先进地下和电离层探测雷达系统”（MARSIS）对火星地表以下的开展精细探测，发现在火星南极高原的冰盖下1.5km深处存在直径为20km的湖泊，这项发现表明火星表层深处可能存在更多稳定的液态水，即火星拥有适合微生物等生命体生存的条件。
2011年，美国的“火星勘察轨道器”（Mars Reconnaissance Orbiter, MRO）搭载的“高分辨率成像仪”（HiRISE）拍摄到火星表面或亚表层存在季节性斜坡纹线，经光谱分析，季节性斜坡纹区域的矿物是溶于水后再沉淀富集而成，这个结果提供了现今火星上存在液态水的有力证据。
2018年，科学杂志发表Dundas 等人的研究成果，他们在对火星中纬度地区的八处断崖地貌进行分析研究之后，发现火星中纬区域的地下1~2米至100多米存在大量的纯净水冰。
断崖形态示例，aa'、bb'、cc'和dd'对应于右下的四副高程剖面图，表明断崖位于塌陷和滑坡的高处（后缘）。右上是断崖部分在HiRISE的色彩加强影像中显示出的色调差异（图片来源：参考文献8）
被太阳风“偷走”的火星大气层
前面已经提到，科学界存在一种观点：缺少全球性偶极磁场的保护的火星，在强烈的太阳风和辐射下，它的大气被逐渐剥夺。已有的研究也表明，火星的大气层不是原生大气层，而是在火星演化过程中由火星内部的脱气过程而形成的次生大气层。很久以前，火星被一层厚厚的大气层笼罩。而现在的火星大气却变得非常稀薄，科学家们对此进行了深入的研究。
2013年11月，NASA发射了“火星大气与挥发物演化任务”（MAVEN）探测器，它的使命是调查火星大气失踪之谜，并寻找火星上早期拥有的水源及二氧化碳消失的原因。入轨一年后，NASA披露了MAVEN火星探测器关于火星大气层稀薄的两大原因：
第一，磁层作用影响大气层：地球具有内禀磁场，太阳风与地球磁层相互作用形成磁层顶，可阻止太阳风和宇宙辐射射线的进入，防止地球大气的逃逸，充当了地球的“保护伞”。但火星的磁场很弱，约为地球磁场强度的万分之一，太阳风可以直接抵达火星，“袭击”火星的大气层，NASA认为是太阳风“偷走”了火星的大气层。
第二，引力束缚影响大气层：引力的大小影响了分子的逃逸速度，火星的逃逸速度约为5.03km/s，同时太阳风的带电粒子撞击大气层中的分子，让分子具有更高的速度，使大量气体逃逸出火星大气层。
MAVEN火星探测器（图片来源：NASA）
目前火星的大气层分为低层大气和高层大气，由二氧化碳、氮气、氩、氧气、一氧化碳等组成，其中主要成分为二氧化碳，体积比占95.32%，而氧气只占0.13%。火星大气逃逸主要发生在三个区域：一是太阳风吹到火星背面，占大气逃逸总量的75%;二是极区上空，占大气逃逸总量的约25%;三是绕火星的延展云层，仅占大气逃逸总量的很小部分。
尘暴（dust devil）（图片来源：NASA）
火星磁场的消失，导致太阳风不光吹跑了火星的一些大气，部分水也跟着“丢了”。火星现在十分干旱，火星风与尘暴频繁，火星风的平均风速达4.3m/s,在地形交界处的风速可高达50m/s，且常常伴有强烈的尘暴，这也加速火星大气的剧烈运动和逃逸。
火星的探测还有必要吗？
为了探测火星，我们人类“用心良苦”，在已经得知火星水源稀缺、大气稀薄的情况下，继续探索火星有什么用呢？未来的火星探测又会有哪些亮点呢？
首先，火星上的水与大气的演化是一个非常复杂的过程，综合作用因素很多，为了解这个过程及特征，揭开火星的神秘面纱，还需对火星大气层成分进行更进一步的探测和研究。
其次，火星上的水冰忠实记录着火星过去的气候和地质历史，可以帮助我们深入理解火星历史气候变化，反演火星的形成与演化，追溯火星生命存在的痕迹。
另外，水冰是可以作为将来登陆火星的宇航员和火星移民的补给来源，更可以和二氧化碳（火星大气中的主要成分）进行反应，产生可供人类呼吸的氧气和可供作为火箭推进燃料的甲烷。只不过，唯一的问题是，既想着陆器获得足够的太阳能供给，又想着陆器着陆在一个富含水冰（纬度不太低）的地方，实在是挺难的！
自20世纪60年代以来，国际上已实施多次火星探测任务。尤其是在2015年NASA正式宣布确认火星表面存在季节性液态水以后，寻找火星生命痕迹和加深对火星地质演化和环境宜居性的认识，成为人们关注且亟待解决的重要科学问题。
2020年是全球火星探测活动非常密集的年份，美国的“毅力号”（Perseverance）火星车，阿联酋的“希望号”（Hope）轨道飞行器，和中国的“天问一号”首次火星探测任务都将飞往火星，去探究火星的水、大气以及生物宜居性的问题。火星探测将是中国行星探测的第一步，是深空探测领域从月球到行星的发展历程中承前启后的关键环节，也是未来迈向更远深空的必由之路。
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本文由科普中国融合创作出品，中国科学院月球与深空探测总体部、中国科学院国家空间科学中心制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：吕博瀚、贾瑛卓
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