MAVEN和哈勃观测为火星水的历史提供了新的启示

了解火星的水历史对于了解类地行星的演化至关重要。水以原子的形式逃逸到太空，氢原子逃逸的速度比氘原子(原子核中有一个中子的氢原子)快，导致残余氘/氢比增加。目前的比率反映了火星失去的水总量。

有大量证据表明，火星经历过早期湿润时期，液态水流过火星表面，留下清晰的侵蚀图案，地表土壤中存在粘土。

这个潮湿的气候时期似乎在30多亿年前就结束了，而那片水的命运引起了人们的极大兴趣。

在某种程度上，当火星冷却时，水仍然被困在地壳中，并且在某种程度上，它分解成氢原子和氧原子，其中许多原子从大气层顶部逃逸到太空。

波士顿大学研究员约翰·克拉克博士说：“水只能去两个地方。要么冻结在地下，要么水分子分裂成原子，原子从大气层顶部逃逸到太空。”

“要了解当时有多少水以及发生了什么，我们需要了解原子是如何逃逸到太空的。”

在他们的新研究中，克拉克博士和同事结合了美国宇航局的火星大气和挥发物演化(MAVEN)和美国宇航局/欧空局哈勃太空望远镜的数据，测量了逃逸到太空的氢原子的数量和当前逃逸率。

这些信息使他们能够推算出逃逸率随时间的变化，从而了解火星的水历史。

具体来说，研究人员测量了氢及其较重的同位素氘。

随着时间的推移，氢的损失比氘的多，大气中的氘/氢比逐渐增大。

今天测量该比例可以为科学家提供线索，了解火星温暖潮湿时期存在多少水。

通过研究这些原子目前如何逃逸，他们可以了解过去四十亿年中决定逃逸率的过程，并由此推断过去的情况。

虽然大部分数据来自MAVEN，但该航天器的灵敏度不够高，无法在火星全年随时看到氘的发射。

与地球不同，在漫长的火星冬季，火星在椭圆轨道上远离太阳，氘的辐射变得微弱。

作者需要哈勃数据来“填补空白”并完成三年火星年(每一年相当于 687 个地球日)的年度周期。

哈勃还提供了可追溯到 1991 年(即 MAVEN 于 2014 年抵达火星之前)的额外数据。

这些任务的数据相结合，首次提供了氢原子逃离火星进入太空的整体视图。

“近年来，科学家发现火星的年度周期比人们10到15年前预期的要活跃得多，”克拉克博士说。

“整个大气层非常动荡，在短时间内升温又降温，甚至在几小时内。”

“在火星一年的时间里，随着火星上太阳亮度的变化而变化 40%，火星大气也会扩张和收缩。”

研究团队发现，当火星靠近太阳时，氢和氘的逃逸率会发生迅速变化。

在科学家先前的传统想象中，这些原子被认为会缓慢地向上扩散穿过大气层，到达它们可以逃逸的高度。

但这幅图已经不能准确反映整个情况，因为现在科学家知道大气条件变化非常快。

当火星靠近太阳时，作为氢和氘来源的水分子会迅速穿过大气层上升，并在高空释放出原子。

第二个发现是，氢和氘的变化非常快，以至于原子逃逸需要额外的能量来解释它们。

在高层大气的温度下，只有一小部分原子具有足够的速度来摆脱火星的引力。

当某种物质给予原子额外的能量时，就会产生速度更快(超热)的原子。

这些事件包括太阳风质子进入大气层或阳光碰撞并驱动高层大气中的化学反应。

该研究结果发表在《科学进展》杂志上。