圖蟲創(chuàng)意
曾幾何時,火星的大氣層與現(xiàn)今的樣貌大不相同。根據(jù)科學(xué)家的地質(zhì)觀察和分析,火星早期擁有濃密的大氣層,其中二氧化碳(CO?)的壓力曾高達(dá)0.25至4巴,這甚至超過現(xiàn)今地球大氣壓1巴的水平。然而,現(xiàn)今的火星卻只保有約0.054巴的二氧化碳儲存量,顯示出巨大的損失。這一轉(zhuǎn)變反映在火星地質(zhì)從“溫暖潮濕”到“寒冷干燥”的氣候變化。特別是在晚諾亞紀(jì)和西方紀(jì)之間的氣候轉(zhuǎn)折期中,這一現(xiàn)象尤為顯著。對于火星如此劇烈的二氧化碳損失,科學(xué)界提出了多種假說,但目前尚無明確的解釋。那么,火星的這些大氣究竟去了哪里呢?
一種普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,由于火星的質(zhì)量相對較小,其引力不足以持住濃密的大氣層,造成大量氣體逃逸到外太空。與地球相比,火星缺乏足夠的磁場保護(hù),使得其大氣更易受到太陽風(fēng)和宇宙射線的撞擊,這進(jìn)一步助推了大氣的逃逸過程。此外,還有一種觀點(diǎn)是,火星的二氧化碳可能進(jìn)入了地殼的巖石中,被封存了起來。地質(zhì)活動和化學(xué)反應(yīng)將部分二氧化碳鎖進(jìn)礦物結(jié)構(gòu)中,如此一來,大氣中的二氧化碳逐漸減少,形成今天我們所見的“稀薄”火星大氣。
最近,為了回答火星地殼巖石對二氧化碳的封存作用,美國的一個科學(xué)家團(tuán)隊(duì)針對已經(jīng)在火星上發(fā)現(xiàn)的巖石和礦物,開展了理論和模擬研究,研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。他們首先基于的基本地質(zhì)事實(shí)是,火星上有貧硅但富含鐵和鎂的硅酸鹽礦物,即橄欖石和輝石組成的火成巖,有水活動的痕跡,也有一些黏土礦物。這三者在地球上也有,而且他們的關(guān)系非常密切。在地球上,這種火成巖在被水腐蝕或風(fēng)化時會形成蛇紋石和蒙脫石等黏土礦物。在火星上,曾有古老的河流,水也可能在那里流動并與底層巖石發(fā)生反應(yīng)。
隨后,科學(xué)家利用地球上水與這類火成巖相互作用的知識,創(chuàng)建了一個適用于火星的模型。利用這一模型,他們發(fā)現(xiàn),在十億年的時間里,水可能已經(jīng)滲透過地殼深處,與橄欖石發(fā)生了反應(yīng)。反應(yīng)后會釋放出氫氣。
接下來,釋放出的氫氣可能與水中的二氧化碳結(jié)合形成甲烷。這種反應(yīng)慢慢地將橄欖石轉(zhuǎn)化為另一種富含鐵的巖石——蛇紋石。隨著蛇紋石繼續(xù)與水發(fā)生反應(yīng),最終可能形成蒙脫石。
而蒙脫石黏土具有強(qiáng)大的碳儲存能力??紤]到火星表面估計(jì)覆蓋的黏土量,這個科學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,火星黏土可以儲存相當(dāng)于火星最初早期大氣層中約80%的二氧化碳。
這項(xiàng)研究還有哪些科學(xué)意義呢?
首先,黏土礦物吸附二氧化碳的發(fā)現(xiàn),為火星大氣二氧化碳減少提供了新機(jī)制。除了科學(xué)上的意義,這些封存的碳也可能成為未來火星探索的重要資源。例如,雖然在地球上2 wt % TOC被視為頁巖氣經(jīng)濟(jì)開采的最低標(biāo)準(zhǔn),但在太空探索中此標(biāo)準(zhǔn)未必適用,0.5 wt %的碳含量或許就是有價(jià)值的燃料來源。
未來,開采火星上的有機(jī)碳,特別是甲烷,可以為遠(yuǎn)途太空任務(wù)或返回飛行提供推進(jìn)劑。此外,甲烷和氫作為火星大氣中的強(qiáng)溫室氣體,可以更有效地用于“地球化”。這種資源的集中利用以及有機(jī)碳在頁巖或捕集層中的聚集過程,將使開采計(jì)劃更具實(shí)際意義,并為尋找地下濃縮沉積物提供科學(xué)支持。
通過研究類似的過程,人類也許可以更好地理解地球早期大氣中二氧化碳含量變化的歷史,這對認(rèn)識地球和火星的氣候演化都有重要的參考價(jià)值。
總之,火星大氣的變化和消失不僅是對太陽系歷史的一次揭示,更可能呈現(xiàn)出未來人類拓展空間邊界、開發(fā)宇宙資源的無限可能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,這些過去封存于未知中的答案將逐漸被揭露,為我們帶來關(guān)于火星以及整個宇宙的更多啟示。
本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者:肖龍
審核:周炳紅 中國航天科普大使 研究員
出品:中國科協(xié)科普部
監(jiān)制:中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司