行星科學家對古早溫暖潮濕的火星提出新解釋

由加州理工學院帶領的一組行星研究團隊，已找出古代火星在早期得以維持足夠溫暖、容納水甚至可能孕育生命的化學機制。

亞當斯等人估計，火星曾經歷累積時長達4000萬年的間歇性暖期，每次事件持續大約10萬年。圖片出處：M. Kornmesser / ESO / N. Risinger, skysurvey.org。

加州理工學院和哈佛大學的研究員丹妮卡·亞當斯博士表示：「火星上曾有液態水存在，這一直是個難解之謎，畢竟火星離太陽更遠，而且早期太陽的輻射也較弱。」

「先前有理論認為氫是神奇的要素，它與火星大氣中的二氧化碳混合，引發了溫室效應暖化事件。」

「但大氣中氫的存在時間很短，因此需要更詳細的分析。」

在這項研究中，亞當斯博士及其同事利用光化學模型，補充早期火星大氣與氫的關係細節，以及這種關係如何隨時間改變。

哈佛大學的羅賓·沃茲沃思教授稱：「早期的火星是個消逝的世界，但如果我們提出正確的問題，就能相當詳細地重構它。」

「這項研究首次整合了大氣化學和氣候學，做出了一些驚人的新預測——一旦我們把火星岩石帶回地球，這些預測就能得到驗證。」

研究作者修改了一個名為KINETICS的模型，以模擬氫和其他氣體與地面和空氣的反應組合，如何控制早期火星的氣候。

他們發現，在40億到30億年前的火星諾亞紀和赫斯佩裡亞紀期間，火星在大約4000萬年裡經歷了間歇性的暖期，每次事件持續10萬年或更久。

這些估計與如今火星上的地質特徵相符。

這些溫暖潮濕的時期是由地殼水化作用所驅動，也就是水滲入地下，在數百萬年的時間裡，為大氣提供了足夠的氫氣累積。

在冷暖氣候的交替期間，火星大氣的化學成分也在不斷變化。二氧化碳不斷受到陽光照射，轉化為一氧化碳。

在暖期，一氧化碳可以再迴圈轉化為二氧化碳，使得二氧化碳和氫氣成為主要成分。

但如果寒冷期持續足夠長的時間，再迴圈就會減慢，一氧化碳會累積，導致大氣處於更還原的狀態，也就是含氧量更低。

因此，大氣的氧化還原狀態隨著時間發生了巨大的變化。

亞當斯博士稱：「我們已經確定了所有這些交替變化的時間尺度。」

「而且我們在同一個光化學模型中描述了所有要素。」

這項模型研究為暖期支援益生元化學（即我們所知的後續生命的基礎）的條件提供了新的潛在見解，也揭示了生命在寒冷和氧化期間延續所面臨的挑戰。

研究人員開始著手利用同位素化學模型尋找這些交替變化的證據。

他們計劃將這些結果與即將進行的火星樣本返回任務所採集的岩石進行對比。

與地球不同，火星缺乏板塊構造，如今所見的表面與很久以前相似，這使得它曾經的湖泊和河流歷史更加引人入勝。

亞當斯博士表示：「這為行星如何隨時間演化提供了一個非常好的案例研究。」

此項研究發表於《自然·地球科學》期刊。

參考文獻：D. Adams et al. Episodic warm climates on early Mars primed by crustal hydration. Nat. Geosci, published online January 15, 2025; doi: 10.1038/s41561-024-01626-8