从火星表面的粘土推断出火星的富含氢的第一层大气

从火星表面的粘土推断出火星的富含氢的第一层大气

2022 年 10 月 18 日

根据新的研究,在地球形成之前很久,火星可能已经诞生了一个蓝色和被水覆盖的世界。 这一发现可以为科学家打开一扇窗户,让他们了解火星历史上一个被忽视的篇章。

在最近发表在《地球与行星科学快报》上的一项研究中,包括来自亚利桑那州立大学的几位研究人员在内的一组研究人员发现,火星最早的大气层比今天要稠密得多,主要由分子氢组成,与稀薄的二氧化碳非常不同它保留了今天的气氛。
从太空看,有云的蓝色星球。
图片由行星卷提供
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尽管它是最轻的分子,但氢会对火星最早的气候产生重大影响。 事实证明,分子氢是一种强大的温室气体。

亚利桑那州立大学地球学院天体物理学教授史蒂夫·德施 (Steve Desch) 说:“许多观察结果表明早期火星上存在液态水,尽管现在火星上的水结冰,而且古代太阳比今天暗 30%,这是一个悖论。”太空探索和团队科学家之一。 “传统上认为二氧化碳等温室气体会在早期火星上结冰。 大气中的(氢)是稳定液态水的一种意想不到的方法。”

根据该团队的计算,分子氢是一种足够强的温室气体,可以让早期的温暖至热水海洋在火星表面稳定数百万年,直到氢气逐渐流失到太空中。

不一样的氛围

为了确定火星上古老大气的组成,团队科学家开发了第一个进化模型,其中包括与火星在熔融状态下的形成以及第一批海洋和大气的形成相关的高温过程。 这些模型表明,熔岩中出现的主要气体是分子氢和水蒸气的混合物。

模型的结果表明,火星大气中的水蒸气与现代地球大气中的水蒸气相似:它在低层大气中凝结成云,形成“更干燥”的高层大气。 相比之下,氢分子不会在任何地方凝结,并且是火星上层大气的主要成分。 从那里,这个轻分子消失在太空中。

“这一关键见解——水蒸气凝结并保留在早期火星上,而分子氢不会凝结并可以逸出——使该模型能够直接与航天器进行的测量联系起来,特别是火星科学实验室好奇号火星车,”卡维说Pahlevan 是 SETI 研究所的研究科学家,也是该研究的主要作者。

火星氢,过去和现在

新模型允许对地球实验室和美国宇航局火星探测器分析的火星样本中的氘氢 (D/H) 数据进行新的解释。

分子中的氢原子可以是普通氢(具有一个质子的原子核)或“重”氢,称为氘(具有一个质子和一个中子的原子核)。 样品中氘原子数除以正常氢原子数称为氘氢比,或 D/H 比。

来自火星的陨石多为火成岩,基本上是凝固的熔岩。 它们是在火星内部融化时形成的,岩浆向地表上升。 溶解在这些内部(地幔衍生)样本中的水含有氢,其 D/H 比与地球海洋相似,这表明两颗行星的 D/H 比非常相似,而且它们的水来自同一来源在太阳系早期。

相比之下,当火星科学实验室测量火星表面 30 亿年前古老粘土中的氢同位素时,发现 D/H 比值约为地球海洋的三倍。 因此,火星的水圈——与岩石反应形成这些粘土的地表水库——一定有相对于氢高浓度的氘。 获得这种程度的氘富集的唯一可行方法是将大部分氢气释放到太空中:正常的氢气会丢失,但氘稍重一些,不会很快丢失。

这个综合模型的研究表明,如果火星大气在其形成时是稠密且富含氢的,那么相对于内部,地表水的氘含量自然会高出两到三倍,即正是火星科学实验室观察到的。

“这是第一个自然地再现这些观察结果的模型,让我们相信我们所描述的进化场景对应于火星上最早的事件,”Pahlevan 说。

促进早期火星上的生命?

氢气氛甚至可能有利于生命的起源。 可追溯到 20 世纪中叶的 Stanley-Miller 实验表明,与生命起源有关的益生元分子很容易在这种富含氢的“还原”大气中形成,但在贫氢“氧化”大气中却不那么容易形成。类似于现代地球或火星的大气层。

该团队的研究结果表明,早在地球存在之前,早期火星至少与早期地球一样有希望,如果不是更有希望的话。 我们所知道的地球直到月球形成撞击之后才完成形成,经过数千万年的太阳系演化。 早在此之前,火星可能已经拥有浓密、富含氢的大气层、温和的温度和覆盖着蓝色海洋的表面。

除了 Desch 和 Pahlevan,该论文的作者还包括 Lindy Elkins-Tanton 和 Peter Buseck,他们都隶属于 ASU 的地球与空间探索学院(Buseck 也隶属于 ASU 的分子科学学院),以及 Laura Schaefer,他隶属于斯坦福大学地质科学系。

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