根據(jù)由美國國家航空航天局（NASA）資助的科學(xué)家們的最新觀測結(jié)果顯示，一種用于估計(jì)火星大氣流失程度的關(guān)鍵示蹤劑，可以根據(jù)火星一天中的時(shí)間和這顆紅色星球的表面溫度而變化。此前對這種示蹤劑（即氧同位素）的測量結(jié)果很大不同。關(guān)于該示蹤劑的精確測量對于估計(jì)火星失去大氣之前曾經(jīng)擁有多少大氣而言非常重要，這將揭示火星曾經(jīng)是否適宜居住以及當(dāng)時(shí)的條件可能會(huì)是是什么樣的。

       如今的火星是一個(gè)寒冷、不適宜居住的沙漠，但是像干涸的河床和僅有液態(tài)水形成的礦物質(zhì)等特征表明，很久以前火星曾擁有一個(gè)厚實(shí)的大氣層保留了足夠的熱量使得液態(tài)水（生命的必要成分）可以在火星地表流動(dòng)。根據(jù)NASA各項(xiàng)任務(wù)，比如火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN）、好奇號(hào)任務(wù)以及追溯到1976年的維京任務(wù)（Viking missions）的結(jié)果看來，火星似乎在數(shù)十億年間失去了大部分大氣，使得火星從可能支持生命存在的氣候變成如今干燥冰凍的環(huán)境。

這幅藝術(shù)家筆下的概念圖描繪了被認(rèn)為包含液態(tài)水和更厚的大氣層的早期火星環(huán)境（右圖），與如今火星上寒冷干燥的環(huán)境（左圖）的對比。

版權(quán)：NASA戈達(dá)德太空飛行中心

       然而，關(guān)于這顆紅色星球的古老大氣仍存在許多謎團(tuán)。美國馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園分校和NASA戈達(dá)德太空飛行中心的蒂莫西·利文古德（Timothy Livengood）是8月1日于Icarus網(wǎng)站上發(fā)表的一篇關(guān)于這項(xiàng)研究的論文的第一作者。他表示：“我們知道火星曾經(jīng)擁有更多的大氣。我們知道它曾經(jīng)擁有流水。除此之外，我們對其他環(huán)境條件尚未有一個(gè)很好的評(píng)估，即火星曾經(jīng)的環(huán)境和地球有多相似？類似的時(shí)間有多久？”。

       估算火星原始大氣厚度的一種方法是觀察氧同位素。同位素是同一元素因原子核中中子數(shù)不同而具有不同質(zhì)量的變體。較輕的同位素相對較重的同位素逃逸到太空的速度更快，因此地球大氣中殘留的較重同位素會(huì)逐漸富集。在這種情況下，與地球相比，火星上較重的氧同位素18O相對更輕更常見的16O更加富集。在假設(shè)地球和火星上的每種同位素的相對量曾經(jīng)是相似的情況下，測量到的每種同位素的相對量，結(jié)合對較輕的16O的逸出速度的估計(jì)，可以用來估計(jì)古代火星上的大氣多少。

       問題是，對火星上18O與16O的相對量（即18O/16O的比值）的測量值并不一致。不同的任務(wù)需測量不同的比值，這導(dǎo)致了對火星古代大氣的不同理解。這項(xiàng)新結(jié)果提供了一種可能可以解決這種差異的方法，這個(gè)方法顯示了在火星日中該比值會(huì)發(fā)生變化。Livengood表示：“以前在火星或地球上進(jìn)行的測量得到了各種不同的同位素比值。我們的方法是第一個(gè)使用單一方法來進(jìn)行測量的，該方法顯示了一天之內(nèi)實(shí)際變化的比值，而不是獨(dú)立設(shè)備之間的比較。在我們的測量中，與地球上氧同位素的正常比值相比，火星上氧同位素比值的變化范圍從正午時(shí)分重同位素的約9%虧損到下午1:30左右重同位素的約8%富集不等。”

       這一同位素的比值范圍與其他報(bào)道的測量值相一致。Livengood表示：“我們的測量結(jié)果表明，以前的工作可能都是正確的，但是并不一致，這是由于大氣的這一方面比我們所意識(shí)到的要復(fù)雜得多。根據(jù)在火星上的哪一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行測量，以及一天中的什么時(shí)間進(jìn)行測量，都有可能得到不同的測量值。”

       研究小組認(rèn)為，由于火星地表溫度的原因，在一天中的同位素比值變化是一種常見現(xiàn)象，在這種情況下，較重的同位素分子在夜間比較輕的同位素更容易附著在寒冷的表面顆粒上，然后隨著白天地表溫度的升高，這些較重的分子就會(huì)釋放出來(熱解吸)。

       由于火星大氣的主要成分是二氧化碳（CO2），研究小組實(shí)際上觀測到的是附著在CO2分子中碳原子上的氧同位素。他們利用NASA戈達(dá)德太空飛行中心研發(fā)的行星風(fēng)和成分外差儀，通過設(shè)在夏威夷莫納克亞山的NASA紅外望遠(yuǎn)鏡設(shè)備對火星大氣進(jìn)行了觀測。Livengood表示：“在試圖了解我們從觀測中獲得的估計(jì)同位素比值的廣泛分布時(shí)，我們注意到它們與測量得到的地表溫度有關(guān)聯(lián)性。正是這種洞察力讓我們走上了這條道路。”

       這項(xiàng)新工作將幫助研究人員完善他們對古代火星大氣的估計(jì)。因?yàn)檫@些測量結(jié)果現(xiàn)在可以被理解為與其他行星大氣中類似過程的結(jié)果相一致，這意味著它們在理解火星氣候變化方面走上了正軌。Livengood表示：“這表明大氣流失是由我們或多或少了解的過程造成的。關(guān)鍵的細(xì)節(jié)還有待研究，但這意味著我們不需要引入外來過程，這些過程可能會(huì)在不改變同位素比值或只改變其他元素的某些比值的情況下，就能消除二氧化碳。”

       這項(xiàng)研究由前NASA行星天文學(xué)項(xiàng)目資助，現(xiàn)為NASA太陽系觀測項(xiàng)目。NASA正在利用我們強(qiáng)大的太空飛船和基于地面的任務(wù)對太陽系和太陽系以外的地方進(jìn)行探索，揭示世界、恒星和宇宙的奧秘。