火星上的水和空氣去哪了?

  • Physics Today
  • 撰文者:Bruce Jakosky
  • 發文日期:2022-07-05
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在火星失去磁場後,它們在太陽紫外光子和太陽風的撞擊下散失到太空中。


現今的火星是一顆寒冷又乾燥的星球。地表平均溫度比水的冰點還要低50度。大氣層過於稀薄,無法留存液態水。不過,地質學的證據顯示古代火星的表面充滿液態水(Physics TodayApril 2004, page 71)。火星的地形暗示了早期的歷史中曾出現過溪流和海岸(見圖一)。

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圖一,古代火星地表曾有液態水的地質證據。(a) 在最古老的地表上網狀的峽谷分布被認為是由穩定的液態水流蝕刻而成。(b) 耶澤羅撞擊坑(Jezero Crater)中泥沙經水流堆積而成的河流三角洲。顏色顯示地表的組成資訊,由軌道光譜學可以辨認含水的礦物。(NASA)

當時的太陽亮度比現在少30%,所以一定是有一層厚厚的溫室氣體讓火星氣溫升高。二氧化碳佔據了今日火星大氣層中的96%,因此也很有可能是過去溫室效應的主要推手,雖然它並非火星上唯一的溫室氣體。當時那層厚厚的二氧化碳去了哪裡呢?當時雕刻河道並侵蝕地表的水又去了哪裡?有沒有辦法能讓水和二氧化碳重返火星呢?

大氣中只要幾巴氣壓的二氧化碳,就能將溫度提高至水的冰點以上,而火星的二氧化碳原本足足有20巴。相較之下,地球表面的大氣壓力大約只有1巴。火星表面的水量可以用全球等效水層(global equivalent layer, GEL)來表示,也就是假若整個星球表面均勻地被水覆蓋,該水層的厚度多寡。火星上的地貌至少需要50公尺GEL的水量才能形成。地層中地下水或冰層也可能藏有水分,其含量可能將GEL提升近一個數量級。這些水體加總約等於500公尺的GEL。相對而言,地球的海洋如果平均分攤到整個地表約會形成2公里厚的水層。

 

MAVEN

星球表面的水和二氧化碳可能透過兩種途徑流失。太陽射出的太陽風會將大氣層頂端的水氣和氣態二氧化碳吹散至太空中。這兩種物質也會擴散進地層中。二氧化碳和水可以和地殼物質反應,形成富含二氧化碳和水分的礦物。

火星大氣與揮發物演化(Mars Atmosphere and Volatile EvolutionMAVEN)探測任務自2014年來持續追蹤火星大氣的流失。雖然大氣現今約以每秒2到3公斤的速率流失,早期火星的流失速率恐怕高上許多,因為當時來自太陽的紫外線和太陽風更加強烈。行星科學家藉由觀測目前的流失現象,加上對太陽歷史的了解,便能回推過往的流失速率並估計總流失量。

透過觀察一對同位素中較重者所佔的比例上升,像是氘/氫、碳12/碳13、氮15/氮14、和氬38/氬36,可以推測各氣體有多少比例流失。較輕的同位素較容易逸散到太空中,使得地表較重同位素的比例增加。

科學家十分關心氫、氧、碳的流失,因為它們組成了水和二氧化碳這兩種與氣候相關的氣體。舉例來說,從MAVEN和其他太空任務帶回的觀測資料讓研究人員得以追蹤氫原子的分布,包括低層大氣中的水氣,以及從大氣層頂端延伸到十倍火星半徑之遠的冕狀氫氣層。

在不同的火星季節,推論所得的氫損失量相差可以來到一整個數量級。這個差異是源自火星在近日點時大氣中的塵埃增加,使得氣溫升高並將水氣抬升至更容易逸散的高處。將所得數據推展至整個火星歷史後,科學家發現超過25公尺GEL的水量已經散失至太空中。

由於氧原子來自二氧化碳和水分子,科學家同樣也能追蹤氧原子的流失情形。氧通常以離子的形式從上層大氣中被帶走,或是在光化學過程中從二氧化碳或水分子中被放出。碳原子較難追蹤,但研究人員還是可以透過已估計出的氧原子散失速率、大氣中一氧化碳光解並散失的速率,以及碳13/碳12同位素的比值,來估計出散失到太空中的總量多寡。這些估計量的總和顯示過去散失的二氧化碳量至少有一到二巴。

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圖二,一整年內從火星表面流失的氧原子資料。顏色代表氧原子流量多寡,箭頭顯示平均的運動方向。(改編自American Geophysical Union提供圖片)

發電機,化學反應,極地冰帽

行星學家認為氫原子的流失在火星歷史早期更加顯著,因為當時陽光的紫外線輻射較強烈。太陽風將碳和氧原子帶走的過程從41億年前便已開始,當時火星的磁場隨著內部發電機效應的消亡一同歸零(Physics TodayOctober 2021, page 17)。在那個時刻,沒有任何廣布全球的磁場可以保護火星免於太陽風的肆虐。

二氧化碳可以和地殼中礦物作用形成含碳礦物。繞行火星軌道的衛星偵測結果顯示火星表面物質、過去暴露於表面的深層物質,還有地球上來自火星的隕石都含有這類礦物。接近火星表面的碳化合物能蘊含的碳原子量只等同於約幾十毫巴的二氧化碳(假設它們全部被釋放到大氣中)。深埋地底的碳化合物可能藏有一巴的二氧化碳,不過由於只有少數地點能見到暴露在外的下層礦物,其充沛含量難以被準確量化。

時至今日,水分已經被極地冰帽和中高緯度的地表冰層鎖定住。這些冰含有約20到30公尺GEL的水量。此外,更多的水份可能藏在含水礦物中。來自軌道的光譜資訊曾偵測到這類礦物的存在。

科學家可以利用這些資料來外推並估計地表之下含水礦物所持有的水量,不過其中不確定性相當大。最可能的值落在130到260公尺GEL,不過大於500公尺深的數字也不是沒有可能。如此龐大的不確定性是因為從少量外露的礦物來預測全球存量相當困難。

顯然的,大氣中二氧化碳散失到太空和地殼中的過程可以解釋早期豐厚的大氣層如何大幅縮減至今日的模樣。但水的歷史就比較複雜了。除了太空和地殼的流失之外,毀滅性的洪災也曾經釋放大量水份到地表上。這些水最後可能蒸發殆盡或滲流進入地殼,最後在火山活動中釋出。到了今天,極地的水分子可以在大氣中遷徙,和中緯度地表冰層交換位置,或是在火星的另一極凝結成冰。無論是何種情況,確切的水量都不好量化。儘管不確定因素很多,關於火星上水份和氣候的演變由什麼驅動,科學家已經逐漸發展出完整的圖像。

被禁錮在地殼中的二氧化碳有辦法重新回到火星現今的大氣層中嗎?如果有此可能,二氧化碳便能加強火星上的溫室效應,使得液態水再度遍布火星表面。不巧的是,火星上僅存的二氧化碳大多都均勻散布在整個星球中,需要對整個火星進行露天開採並特殊處理才能釋出其中的二氧化碳。

不過先別放棄希望。我們可以想像:在火星上製造特殊的高效率溫室氣體,有朝一日或將能為火星提供強大的溫室效應。



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Bruce Jakosky (bruce.jakosky@lasp.colorado.edu)在科羅拉多大學波德分校擔任地質科學教授以及大氣與太空物理實驗室副主任。十八年來,他負責主導NASA的火星大氣與揮發物演化探測任務。

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Nov. 2020 雜誌內 (Physics Today 75, 4, 62 (2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.4988)。原文作者:Brice Jakosky 。中文編譯:林祉均,國立清華大學物理系學生。



Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Bruce Jakosky , and is published in (Physics Today 75, 4, 62 (2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.4988). The article in Mandarin is translated and edited by J.-R. Lin, Studying at the Department of Physics, National Tsing Hua University.