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火星上的水去了哪里

发布单位香港天文学会

2021515718天问一号成功登陆火星乌托邦平原南部预选区火星作为类地行星和太阳系八大行星之一早已受到人类所关注其中一个重要原因便是火星上有水的存在

火星上现今的水主要以极地冰盖或者地下冰的固态形式存在另一方面大量地质学证据显示火星上曾有大规模的液态水对比火星古今的水体规模可以看出火星早期表面曾经流淌的水消失了其原因通常认为火星液态水消失是水向外太空逃逸所致然而依据现今火星大气的观测结果和三十亿年前火星沉积物的观测结果通过同位素分馏模型计算大气逃逸仅能减少一部分的水

加州理工大学的谢勒 Scheller博士等通过建立一个全新的氢同位素分馏模型对火星水的去向提供了一个新的解释该模型建立一个水的交换储库其中包含大气水液态水极地冰和地下冰其水的来源为火山喷发而水的去向则包括大气逃逸和地壳矿物水合作用该模型以火星现今水体含量为边界条件通过计算氢同位素分馏获得火星不同地质历史时期诺亚纪Noachian40亿至37亿年赫斯珀利亚纪Hesperian37亿至30亿年亚马逊纪Amazonian30亿年至今的水体通量同时基于火星表面岩石样品高温实验获得的氢同位素数据对模型进行标定以提高模型的准确性

不同地质历史时期的氢元素同位素交换模型(Scheller et al., 2021)
不同地质历史时期的氢元素同位素交换模型Scheller et al., 2021

模型计算结果表明火星水体的氘/氢去向主要受水岩作用和大气逃逸控制其相对比例从3:899:1不等也就是说高达30%至99%的水以可以以水岩作用的形式消失这一结果可以很好的解释火星水体的氘/氢去向并与地质学证据相吻合

基于上述模型结果谢勒博士等认为火星不断干旱化正是由于地壳化学风化作用所致这一过程显示火星广泛分布的诺亚纪时期的含水矿物所记录事实上地球上也在发生类似的矿物水合过程但不同的是地球的板块构造事件可以以火山喷发等形式将矿物结晶水释放出来重新参与水循环因此地球水循环可以在地质年代的时间尺度上实现再循环而火星水循环则难以实现这一不可逆转的化学风化过程控制着水循环的地质年代尺度从而对于塑造火星作为类地行星的宜居性发挥了关键作用

此外模型还可以进一步预测火星冰体的氘/氢同位素值从而将它与气候变化结合起来在暖期发生矿物水合作用和大气逃逸的水通量会增加快速提高冰体的氘/氢值在严寒期氘/氢值可能缓慢下降或上升取决于火山去气和大气逃逸的水量平衡

氘/氢比是天然水和其它流体中的氘重氢与氢之间的比率以及与含水矿物质结合的水中的比率这个比率产生关于流体的起源和地质历史以及关于流体/岩石相互作用的资料

节录自中国科学院地质与地球物理研究所202164日新闻公布新闻资讯由林景明提供