火星的水歷史對於理解類地行星的演化至關重要。水以原子形式逃逸到太空，氫 (H) 原子比氘 (D)（原子核中帶有中子的氫原子）逃逸得更快，從而增加了殘餘 D/H 比。目前的比率反映了火星損失的總水量。

這些是2017 年12 月31 日（上）拍攝的火星離太陽最遠點（稱為遠日點）附近的遠紫外線哈伯影像，以及2016 年12 月19 日（下）拍攝到離太陽最近點（稱為近日點）附近的火星的遠紫外線哈伯圖像。圖片來源：NASA / ESA / STScI / John T. Clarke，波士頓大學。

有大量證據表明，火星經歷了早期的濕潤期，液態水流過地表，留下了明顯的侵蝕模式，並且地表土壤中存在粘土。

這個潮濕的氣候時期似乎在 30 億年前就結束了，而水的命運引起了人們的極大興趣。

在某種程度上，當火星冷卻時，水仍然被困在地殼中，並且在某種程度上，它被分解成氫和氧原子，其中許多原子從大氣層頂部逃逸到太空中。

「水只有兩個地方可以去。它可以凍結到地下，或者水分子可以分解成原子，而原子可以從大氣層頂部逃逸到太空中，」波士頓大學研究員約翰克拉克博士說。

“為了了解水的含量以及水發生了什麼，我們需要了解原子如何逃逸到太空中。”

在他們的新研究中，克拉克博士和同事結合了美國宇航局火星大氣和揮發物演化（MAVEN）以及美國宇航局/歐空局哈伯太空望遠鏡的數據，測量了逃逸到太空的氫原子的數量和當前的逃逸率。

這些資訊使他們能夠向後推斷逃逸率，以了解火星的水歷史。

具體來說，研究人員測量了氫及其較重的同位素氘。

隨著時間的推移，由於損失的氫多於氘，大氣中的 D/H 比逐漸增加。

今天測量這個比率可以讓科學家了解火星在溫暖潮濕時期有多少水。

透過研究這些原子目前如何逃逸，他們可以了解決定過去四十億年逃逸率的過程，從而及時推斷。

儘管大部分數據來自 MAVEN，但該太空船的靈敏度不夠高，無法在火星年的所有時間觀測到氘的排放。

與地球不同，在漫長的火星冬季，火星在其橢圓軌道上遠離太陽擺動，氘排放變得微弱。

作者需要哈伯數據來「填補空白」並完成三個火星年（每個火星年 687 個地球日）的年度循環。

哈伯望遠鏡還提供了可追溯到 1991 年（即 2014 年 MAVEN 抵達火星之前）的附加數據。

這些任務之間的數據組合提供了氫原子逃離火星進入太空的第一個整體視圖。

「近年來，科學家發現火星的年度週期比人們 10 或 15 年前預期的要活躍得多，」克拉克博士說。

“整個大氣層非常動盪，在很短的時間內升溫和降溫，甚至只有幾個小時。”

“火星上的太陽亮度在火星一年中會變化 40%，因此大氣層會膨脹和收縮。”

研究團隊發現，當火星靠近太陽時，氫和氘的逃脫率會迅速改變。

在科學家先前的經典圖像中，這些原子被認為會慢慢地向上擴散，穿過大氣層，到達可以逃脫的高度。

但這張圖片不再準確地反映整個故事，因為現在科學家知道大氣條件變化得非常快。

當火星靠近太陽時，作為氫和氘來源的水分子會迅速上升穿過大氣層，在高空釋放原子。

第二個發現是，氫和氘的變化如此之快，以至於原子逃脫需要額外的能量來解釋它們。

在高層大氣的溫度下，只有一小部分原子有足夠的速度逃離火星的引力。

當某些東西給原子額外的能量時，就會產生更快的（超熱）原子。

這些事件包括太陽風質子進入大氣層或陽光的碰撞，從而驅動高層大氣中的化學反應。

研究結果發表在期刊上 科學進步。

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約翰·T·克拉克 等人。 2024. 火星大氣中的氫和氘：季節變化和逃逸太空的範例。 科學進步 10（30）； DOI：10.1126/sciadv.adm7499

本文基於 NASA 的新聞稿。