香港大学行星科学家发现早期火星具有还原性大气的关键证据

发布单位:香港大学

  现代地球和火星的大气都具氧化性,日常生活中含铁的物质很容易被氧化形成铁锈(即铁氧化物)。氧化性的大气在地球上已经存在约25亿年,但在此之前,地球的大气是还原性的,即地表并没有铁锈痕迹。

  从还原态行星(reduced planet)到氧化态行星(oxidised planet)的转化被称为大氧化事件(GOE),此转化是地球演化过程中的核心部分。地球上的大氧化事件在本质上与生命演化,尤其与产氧光合作用的盛行密切相关。香港大学的行星地质学家发现火星其实也经历过大氧化事件——这颗红色星球的表面在几十亿年前并没有那么红。

  这项研究最近于权威学术期刊《自然‧天文学》(Nature Astronomy)中发表,由港大地球及行星科学研究部和太空研究实验室的博士研究生刘嘉成和其导师Joseph MICHALSKI博士共同率领完成。他们利用高光谱遥感技术,分析火星地表物质的分子振动,借以研究火星古老岩石的矿物学和地球化学特征。研究团队将火星高光谱遥感数据与实验室所收集的光谱数据进行详细对比,发现火星地表出露的古老岩石曾经历过还原性的化学风化,显示早期火星确实存在过还原性的大气环境。

  虽然现代火星具有干冷的气候条件,但是在35亿年前,火星更为温暖潮湿,其气候条件足以让河道、湖泊和含水矿物在地表形成。科学家利用数学模型研究早期火星大气和古气候,发现早期火星存在过较强的温室效应。要实现这强度的温室效应,大气中不仅需要二氧化碳的存在,还必须包含还原性气体。在这项研究之前,没有任何证据显示早期火星出现过还原性大气,而这项研究证实了早期火星大气的确是还原性的。

  此研究采用了红外遥感的细致分析,利用红外光谱研究风化岩石露头的矿物分布特征。研究工作建基于中国海南岛与火星类似的玄武岩厚层风化剖面的仔细分析上。刘嘉成在室内利用红外光谱对海南岛玄武岩风化壳进行了系统性研究,较早前亦在《应用黏土科学》期刊(Applied Clay Science)发表了适用于表征玄武岩化学风化程度的光谱参数。

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  加工彩色图像中,左上角的蓝色调表明岩石在风化过程中,铁质因为风化而流失。这是存在还原环境的直接地质证据。

  「嘉成的研究项目真的非常出色,成功地将实验室的研究结果应用于火星遥感之上。」Michalski博士续说:「他发现火星上的岩石剖面具有和海南岛风化壳类似的矿物演化趋势。」

  地球及行星科学研究部助理教授Ryan MCKENZIE博士对这项研究工作亦印象深刻。Mckenzie博士说:「这是一项十分出色的研究,其发现将影响我们对类地行星及其表面环境早期演化的理解。氧气是生物光合作用的产物,正是由于生命的存在,地球的大气在25亿年前从还原性向氧化性的转变才成为可能。如果没有微生物产生氧气,它就不会在我们的大气中聚积,我们亦不会在地球上生存。尽管火星和地球在演化过程中的部分条件存在一定的差异,但我不禁开始思考,嘉成的研究结果对早期火星生物圈是否存在有哪些启示。」

  中国首次自主发射的「天问一号」探测器,已于2021年2月10日进入火星轨道,并定于今年5月登陆火星,令科学家为之振奋。港大这项研究工作证明了如何透过光谱和遥感技术,做出对理解火星演化具有重要意义的基础发现。当我们开始了解火星最古老的历史时,研究人员亦同时准备好直接探寻或曾存在于火星的生命印记,未来港大将致力成为参与探索任务的一员,为火星研究出一分力。

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