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解释火星大气中碳元素的逃逸
作者:数星星的猫  点击次数:1168  发布时间:2015-12-15 14:27:04

  火星周围包裹着一层稀薄的大气,成分以二氧化碳为主。这层大气过于稀薄,远不足以让水分免于冻结或者迅速蒸发。然而科学家根据地质证据得出的结论是,远古的火星要比现今更加温暖湿润。为了形成更为温和的气候,若干研究者已经提出,火星过去曾包围在二氧化碳大气中,较现在浓厚得多。几十年来,就留下了这样一个问题:“那些碳元素去哪了?”

  太阳风剥离了火星大半的远古大气,而且现在每天都还在剥去数吨的大气。但是科学家困惑与为何没有发现更多的碳元素,它们以捕获在火星岩石中的碳酸盐形式存在。他们还要尝试解释当今火星大气中碳元素轻重同位素的比例。

  现在在25日发表于《自然通信》杂志的一篇论文中,来自帕萨迪那(Pasadena)加州理工学院和NASA喷气推进实验室的一个科学小组为“失落”的碳元素提供了一个解释。

  他们提出,38亿年前,火星可能拥有一层中等浓密的大气。这样的大气(地表气压与地球大气相当或更低)可以演化为如今的稀薄大气,它不仅克服了“失落”的碳元素问题,还与观测到的碳-13和碳-12相对比例一致,这两种同位素的原子核中只存在中子数量的差异。

  这张插图描绘了碳元素在火星内部、地表岩石、极冠、水体以及大气之间的交换路径,还描绘了碳元素从大气中逃逸的一种机制,这一机制对同位素比例有强烈影响。

  论文的第一作者、来自加州理工学院的博士后Renyu Hu说:“我们的论文表明,从中等浓密的大气过度到如今稀薄的情况完全是可能的。激动人心的是,我们现在知道,可以拼起火星大气演化的自洽图景,而并不需要大量尚未探测到的碳元素富集带”。

  在考虑早期火星大气向如今状态的过渡时,有两种机制可以移除多余的二氧化碳。要么二氧化碳被纳入了岩石中的碳酸盐矿物里,要么逃逸到了太空中。

  2015年8月的一项研究使用数架火星轨道探测器对碳酸盐矿物储量的测量,说明火星地壳最上半英里(1千米)内所含的碳酸盐根本不够容纳浓厚的早期大气损失的碳元素,当这样的大气在大约38亿年之前包围火星时,火星上存在着活跃的远古河道网络。

  逃逸到太空中的途径也存在问题。由于多种过程可以改变大气中碳-13相对碳-12的比例,“我们可以利用对不同时期同位素比例的测量作为指纹,来猜测过去火星大气究竟发生了什么过程”,Hu说。第一个限制来自对火星陨石的测量,这些陨石含有火星深处通过火山释放出的气体,为原始的火星大气起初的同位素比例提供了线索。当代同位素比例是由NASA好奇号火星车的SAM仪器(火星样本分析仪)测量到的。

  二氧化碳从火星大气中逃逸的一种渠道是喷溅(sputtering),它涉及太阳风与高层大气的相互作用。NASA的MAVEN(火星大气与挥发物演化)探测器最近得出的结果表明,在今天的火星大气中,通过这一过程,每秒大约有四分之一磅(约100克)粒子被剥离掉,看上去这是火星大气损失的主要驱动力。与碳-13相比,碳-12发生喷溅过程要略微容易一些,但是这一效应很小。好奇号的测量表明,相对于碳-12而言,如今火星大气中碳-13与单纯的喷溅过程导致的结果要更为富集得多,因此必然还有另一种发挥作用的机制。

  Hu与合作者辨认出了一种机制,可以显著贡献碳-13的富集。这一过程始于阳光中的紫外线(UV)轰击高层大气二氧化碳分子,并将其瓦解为一氧化碳和氧原子的过程。随后紫外线轰击了一氧化碳原子,将其分解为碳和氧原子。这一过程产生的一些碳原子有着足够的能量,可以从大气中逃逸出去,而新的研究表明,碳-12的逃逸几率要比碳-13多得多。

  研究者为这一“紫外光致离解”机制的长期效应建立了模型,发现哪怕只有很少一部分碳经过这一过程逃逸出去,都会在碳元素的同位素比例中留下明显的迹象。这转而让他们计算出,38亿年前的大气地表压力可能要比今天的地球大气略低。

  来自加州理工学院和JPL的贝塔尼·埃尔曼(Bethany Ehlmann)说:“这就解决了一个长久的矛盾。假设存在的极厚大气看上去意味着需要庞大的地表碳仓库,而UV光致离解的效率意味着实际上矛盾是不存在的。你可以使用我们所了解的正常逃逸过程以及探测到的碳元素储量,为火星找到一个革命性的合理解释。”埃尔曼是11月25日的新文章以及8月关于碳酸盐的论文的合作者。


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