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轉譯：王婧彧
校對：申振宇 楊宜修
審閱：牧夫校對組
美編：徐玖坤
後台：胡永葳
維京1號拍攝到的火星的稀薄大氣層。
圖片NASA
火星並不總是我們今天看到的一片寒冷沙漠。越來越多的證據表明，數十億年前，水曾經在這顆紅色星球的表面流動。如果曾經有水存在，那麽必定也有一個足夠厚的大氣層來防止這些水凍結。然而，大約在35億年前，水逐漸幹涸，大氣層中曾經充滿的二氧化碳也顯著減少，最終只剩下今天附著在火星上的稀薄大氣。
火星的大氣究竟去了哪裏？這個問題一直是火星46億年歷史中的一個核心謎團。
對於美國麻省理工學院的兩位地質學家來說，答案可能藏在火星的黏土中。在【科學進展】期刊發表的一篇論文中，他們提出，火星消失的大部份大氣可能被封存在火星被黏土覆蓋的地殼中。
研究團隊提出，當火星上存在水時，液態水可能滲透到某些型別的巖石中，觸發了一系列緩慢的反應，逐漸將二氧化碳從大氣中抽離並轉化為甲烷——一種可以在火星由黏土構成的表面儲存數億年的碳形式。
類似的過程也在地球上的某些區域發生。研究人員利用對地球上巖石與瓦斯交互作用的知識，推測類似的過程可能也在火星上發生。他們發現，考慮到估計的火星表面覆蓋的黏土量，火星的黏土可能儲存多達約1.7倍標準大氣壓的二氧化碳，相當於火星最初大氣層的80%左右。
研究人員提出，未來火星上儲存的碳有可能被回收並轉化為推進劑，用於火星與地球之間的太空任務。
「我們在地球上的研究表明，類似的過程很可能也在火星上發生，大量的二氧化碳瓦斯可能已經轉化為甲烷，並被封存在黏土中，」該研究的作者、麻省理工學院地球、大氣與行星科學系（EAPS）地質學教授奧利弗·賈古茲（Oliver Jagoutz）說。「這些甲烷可能仍然存在，甚至在未來可以作為火星上的能源。」
該研究的主要作者是2024年EAPS畢業的博士約書亞·默裏（Joshua Murray）。
在皺褶中
2023年，他和默裏集中研究了一種叫做蒙脫石的表面黏土礦物，它以極強的碳捕獲能力著稱。在單顆蒙脫石顆粒中有許多褶皺，碳可以在其中穩定地存留數十億年。他們表明，地球上的蒙脫石很可能是構造活動的產物，而一旦暴露在表面，這些黏土礦物會吸收並儲存足夠的大氣二氧化碳，從而在數百萬年內冷卻地球。
在團隊釋出研究結果後不久，賈古茲偶然看到了火星表面的地圖，意識到火星表面的大部份區域也覆蓋著類似的蒙脫石黏土。這些黏土是否也在火星上發揮了類似的碳捕獲作用？如果是這樣，這些黏土能夠儲存多少碳？
「 每一個角落」
與地球不同的是，火星上沒有大陸板塊的移動和擡升作用來將巖石從地幔帶到表面。團隊根據科學家對火星歷史和組成的了解，去尋找火星上形成黏土的其他途徑。
例如，對火星表面進行的某些遙感測量表明，火星地殼的某些部份包含超鎂鐵質火成巖，這些巖石與地球上產生蒙脫石的巖石相似。其他觀測還揭示了類似於地球上河流和支流的地質特征，水可能曾在這些地方流動並與下層巖石發生反應。
賈古茲和默裏猜想，水是否可能與火星深處的超鎂鐵質巖石發生反應，從而產生覆蓋火星表面的黏土。他們基於地球上火成巖與其環境交互作用的已知方式，建立了一個簡單的巖石化學模型。
他們將該模型套用於火星，科學家們認為火星的地殼主要由富含橄欖石的火成巖組成。假設火星表面的水存在至少10億年，且大氣中充滿了二氧化碳，研究團隊利用該模型估算了富含橄欖石的巖石可能經歷的變化。
「在火星歷史的那個時期，我們認為二氧化碳無處不在，滲透到每個角落，而水也充滿了二氧化碳，」默裏說。
在大約10億年時間裏，水慢慢地滲透到地殼中，與富含還原鐵的橄欖石礦物發生反應。水中的氧原子與鐵結合，釋放出氫，並形成了氧化鐵，使火星呈現出標誌性的紅色。隨後，這些遊離的氫與水中的二氧化碳結合，形成甲烷。隨著時間的推移，橄欖石會逐漸轉化為另一種富含鐵的巖石，即蛇紋石，蛇紋石進一步與水反應，形成蒙脫石。
「這些蒙脫石黏土有巨大的儲存碳的能力，」默裏說。「於是我們利用對地球上這些礦物如何儲存在黏土中的了解，推測出如果火星表面有這麽多黏土，那麽這些黏土可以儲存多少甲烷？」
他和賈古茲發現，如果火星覆蓋著一層1100公尺厚的蒙脫石黏土，那麽這些黏土可能儲存著相當於火星自幹涸以來消失的二氧化碳的大部份甲烷。
「我們發現估計的火星全球黏土體積與火星最初的二氧化碳有相當一部份作為有機化合物被封存在富含黏土的地殼中的推測相符，」默裏說。「在某種程度上，火星消失的大氣層可能就隱藏在眼前。」
這項工作得到了美國國家科學基金會的部份支持。
責任編輯：楊伯順
牧夫新媒體編輯部
『天文濕刻』 牧夫出品
