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Mar. 22 2021

火星上的液態水去哪了?新理論提供最新線索

  • 火星過去曾有液態水在地表流動,但卻在數十億年前消失無蹤。一項最新的研究顯示,水分除了散逸到太空之外,可能還有許多水被封存在行星地殼的礦物之中。IMAGE BY NASA/JPL-CALTECH

    火星過去曾有液態水在地表流動,但卻在數十億年前消失無蹤。一項最新的研究顯示,水分除了散逸到太空之外,可能還有許多水被封存在行星地殼的礦物之中。IMAGE BY NASA/JPL-CALTECH

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火星古代海洋的水分可能被困在地殼的礦物中,這讓科學家上修對火星曾擁有的水量估計。

現在的火星是一片酷寒的荒漠,但乾涸的三角洲和河岸卻提醒著我們,過去曾有液態水在這顆行星的地表流動。那麼這些水去哪了呢?數十年來,科學家一直試圖解答這個問題,希望弄清楚火星是如何成為了無生機的荒原,而鄰近的地球卻能留下水分,成為生物的天堂樂園。

現在,有個由地質學家和大氣科學家組成的研究團隊將來自火星的觀測結果與新模型結合,拼湊出火星歷史的新面貌:這顆行星上的古老水分,可能多被困在地殼礦物之中,且存留至今。

先前的研究顯示,由於太陽輻射使火星的大氣層剝離,導致大部分的水分都散逸到太空之中。但在3月17日出版的《科學》(Science)期刊上有項最新的研究指出,火星上的水分不僅藉由大氣逸散,也會受地質所困。研究團隊在今年以遠距方式舉行的月球與行星科學會議(Lunar and Planetary Science Conference)上介紹了這項研究結果。

根據這個新模型的估計,依一開始的水量不同,會有30%至99%的水分進入地殼的礦物之中,而其餘的則散逸到太空之中。這個比例的範圍很廣,而且兩種過程都扮演相當重要的作用,所以「真實狀況就存在於其中某處,」並未參與此項研究的普渡大學行星科學家布里奧尼.霍根(Briony Horgan)如此表示。

如果新模型是正確的,那火星的青春期故事可得要改寫了。目前我們所認為困在火星地殼中的所有水分,都表示古早火星地表所擁有的水量要比先前模型的估計還要多得多──那麼早期的火星環境可能也較之前所認為的更適合微生物生存。

「這篇論文認為火星可能一度是顆湛藍的行星,雖然為時甚短。」北卡羅萊納州立大學的行星科學家保羅.伯恩(Paul Byrne)這麼說,他並未參與此項新研究。

從溼透到乾涸

火星有著大量的乾涸河床、三角洲、湖盆和內海,這都顯示火星表面曾有很多液態水。北半球甚至可能有一個或數個海洋,但科學家對此觀點仍爭議不休。如今,除了可能的一系列地下鹹水湖泊和含水層之外,火星的大部分水分都被封存在極冠或是地表下方的冰層之中。

科學家調查不同年齡火星隕石的化學性質,並利用美國航太總署(NASA)好奇號(Curiosity)探測車研究古代岩石並測量現在的火星大氣,已經能夠估算出有多少的地表水──以冰、液態水或水蒸氣的形式──出現在火星歷史上的各個階段。他們認為,在火星最早期,如果所有的水都是液態的,那將可以把整顆星球覆蓋在46至244公尺深的淺海之中。

火星過去的大氣更為濃厚,大氣壓力使液態水得以存在地表。但科學家根據美國航太總署火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)軌道衛星的觀測,發現火星可能在形成後僅約5億年時,大部分的大氣就被太陽風(由太陽發射出的帶電粒子)剝離。目前仍不清楚其原因,但保護行星的磁場在早期即消失無蹤可能是關鍵因素。

無論是哪種原因所造成,大氣的消失讓約90%的火星地表水分隨之蒸發,留下的水蒸氣又被紫外線輻射分解,火星因此成為缺水的荒漠。

藏身火星岩石中的線索

至少,目前的故事是這樣發展的,但還是有些漏洞存在。

先前科學家根據火星目前大氣中的氫原子類型,來推測火星過去水分的命運。空氣中的水蒸氣被來自太陽的紫外線輻射撞擊時,會使氫脫離水分子中的氧。游離氫是種非常輕的氣體,因此很容易散逸到太空之中。但其中有些水蒸氣含有一種稱為「氘」的較重氫原子,這種原子比較容易留在大氣之中。

科學家知道火星上氫和氘的自然比例應該是多少,因此可以使用留下的氘含量,來推算火星上過去曾有多少較輕的氫原子存在。因此,氘就像是個幽靈般的指標,能夠顯示過去曾有多少水分散逸到太空之中。

時至今日,氫氣仍持續地從火星逸出。科學家能夠測量散逸的速率,來計算出已經有多少水分已永久流失。這篇最新研究的第一作者──加州理工學院的博士班學生伊娃.林翰.謝勒(Eva Linghan Scheller)表示,如果這個速率在過去的45億年中保持穩定,那就無法解釋為何會有這麼多水分從地表消失無蹤。

另一條線索來自所有檢驗火星岩石的軌道衛星和探測車。在過去的20年裡,科學家發現了許多含水礦物,包括大量的黏土。起初只有分散四處的零散證據,但現在「我們掌握了火星表面有大量水合礦物的證據,」霍根說。

所有這些極其古老的水合礦物質都顯示:在很久以前,曾有大量的水分流經古老的火星土壤表面──遠遠超過了根據大氣中氘含量所做的推測。

未參與此項研究的萊斯大學行星科學家克絲汀.西巴赫(Kirsten Siebach)表示:「我們花了很長時間才找到先前發現的所有水合礦物,然後才充分理解它們在火星全球尺度上所扮演的重要性。」

毀滅一顆行星的兩種方法

謝勒認為,問題是過去的模型並未充分考慮地殼將水分鎖在礦物內部的能力。她和同事決定建立一個新模型,以推測火星表面水分在過去45億年間的去向。

這個模型做了一些假設,像是火星一開始有多少水,後來又有多少水隨著含水的小行星和冰彗星送到火星上,有多少水隨著時間流逝散逸到太空之中,以及有多少火山活動讓更多的水沉積在火星地表。研究團隊根據這些變量的數值推斷,火星的地表曾經擁有夠多的水分,足以形成一個有100到1494公尺深的全球性海洋。

在41到37億年前,火星地表的水量顯著減少,除了往太空散逸之外,還有部分被地殼中的礦物吸收。謝勒表示,到目前為止我們所發現的所有水合礦物都超過30億年,這表示在火星大部分的時間內都是乾旱的不毛之地。

新模型仍有其局限性,有些關鍵細節仍然不太清楚。但這是重要的一步,「肯定會對未來火星水分歷史的研究大有助益,」並未參與此項研究的行星科學家傑羅尼莫.維拉紐瓦(Geronimo Villanueva)如此表示,他目前於美國航太總署位於馬里蘭州格林貝爾特(Greenbelt)的戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)任職。

一方面,這有助於解決以氘的測量值所估計的水量與地表殘留的大量水體特徵之間的差異。西巴赫表示,目前還不清楚這麼少的水怎麼會形成如此大量的河流和湖泊,但這個新模型藉由確認火星上可能存在的額外水分,為此謎團提供了可能的解答。

但是,這項研究並沒有改變科學家對目前火星上有多少水分的看法──根本就不多。霍根表示,有一天太空人可能會在火星上烘烤水合礦物來釋放水分,但這將是個非常耗能的過程。

西巴赫說:「這項研究顯示,火星歷史早期應該有更多的水可以利用,那是火星最適合生物居住的時候。」如果曾經有微生物存在的話,它們可能已擴散到所有的水體之中,但隨著大部分水分在30億年前消失之際,它們也難以存活下來。

北卡羅萊納州立大學的伯恩表示,大量的水分會消失在地殼之中的這種想法,對其他岩質行星的相關研究也有影響。

地球上的水也會與礦物質結合。但在我們的星球上,板塊運動讓這些礦物得以循環,並藉由火山噴發不斷釋放其中的水分,西巴赫說道。相較之下,火星缺乏地殼活動,因此這顆行星可能註定變成一片寒冷的荒漠。金星上是否也曾經發生過同樣天翻地覆的過程?在遠離太陽系的系外行星上,是否也有水分被困在行星地殼之中呢?

並未參與此項研究的維吉尼亞理工大學行星科學家斯科特.金(Scott King)表示,這個模型讓我們有機會更深入了解火星和其他岩質行星的演化過程。

他說:「現在,我們可以提出一大堆新問題來解決了。」

 

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