逍遥学能 2017-06-30 11:14
美国宇航局的“凤凰”号火星登陆器获得的测量结果显示，在火星史上，液态水曾与火星表面发生互动。该研究成果发表在9月10日的《科学》杂志上，它还说明火星寒冷的环境下曾存在液态水，这暗示类似于地球上的黄石公园里的温泉的热液系统，在火星史上非常罕见。
“凤凰”号获得惊人发现
这些令人难以置信的研究结果，是2008年“凤凰”号对火星大气的二氧化碳里的碳和氧稳定同位素进行研究得到的。同位素是相同元素的异体，拥有不同的中子数，例如碳-12有6个中子，而罕见的碳-13则有7个中子。确定火星二氧化碳里的同位素比率的空前精确度，更加凸显了火星表面的水历史和火山活动史。
这项测量工作是由“凤凰”号上的先进气体分析仪进行的，该仪器是这颗登陆器上的热力与先进气体分析仪(TEGA)的一部分。热力与先进气体分析仪是由美国亚利桑那大学设计和建造的。与20世纪70年代美国宇航局的“海盗”号登陆器上的分光仪(是另外唯一一个把有关火星同位素组成的数据传回地球的仪器)相比，热力与先进气体分析仪的分光仪能更精确地对二氧化碳进行分析。
亚利桑那大学月球和行星实验室行星科学系教授威廉姆·鲍恩顿说：“我们把热力与先进气体分析仪当作一个犯罪现场调查员。跟化学指纹一样，同位素可以告诉我们，是什么过程生成了我们正在研究的这种物质。”鲍恩顿负责领导了制造热力与先进气体分析仪的科研组，也是在《科学》杂志上发表的论文的联合作者。火星大气95%是二氧化碳。美国宇航局的“火星探测计划”已经确定会优先研究火星二氧化碳里的同位素比，弥补“海盗”号收集的信息和对坠落地球的火星岩石进行分析获得的结果存在的不足之处。
为了获得这些测量结果，“凤凰”号上的热力与先进气体分析仪打开一个针尖大小的缝，利用一个真空吸尘器把一股火星大气吸入到它的内部，对同位素进行分析。亚利桑那大学构思并负责“凤凰”号任务的操作工作。2008年该登陆器在火星北极附近降落，这是有史以来第一项由一所大学领导的火星任务。
二氧化碳与水发生反应
分析结果显示，火星上的二氧化碳的碳和氧同位素比，与地球大气的二氧化碳类似。这一意想不到的结果显示，火星上的地质活动比以前认为的更多。事实上这些最新研究结果表明，火星大气里的二氧化碳是在距离现在相对较近的时候产生的，它已经与火星表面出现的液态水发生反应。休斯顿美国宇航局约翰逊航天中心的太空学家和这篇论文的第一作者保罗·奈尔斯说：“大气里的二氧化碳就像一名化学间谍。它渗透到火星表面的每一部分，显示水的出现和它的历史。”
火星的引力很小，而且没有磁场，这意味着这颗红色行星大气里的二氧化碳将会逃逸到太空里，与碳-13相比，这一过程会更容易丧失较轻的碳-12。尽管更加久远的火星大气里应该包含更多碳-13，但事实并非如此。这说明较近的火山喷发产生的二氧化碳进入了火星大气里，在相对较近的火星过去，火山活动比较活跃。另一个线索来自组成二氧化碳的第二种元素——氧。氧跟碳一样，拥有不同的同位素：氧-16和更重的氧-18。
该科研组把“凤凰”号收集的数据与研究火星陨石(在撞击过程中从火星表面飞入空中，最终落到地球表面的岩石)获得的数据进行对比。这些岩石包含的碳酸盐物质，只能在有水和二氧化碳的情况下形成。鲍恩顿说：“火山爆发喷入大气层的二氧化碳，与在这些岩石里发现的氧同位素比非常类似。但是这些火山岩石的氧比与火星大气里的氧比之间存在很大差异。”这说明火星陨石(火山岩)里的二氧化碳已经与液态水产生反应，二氧化碳里所含的碳-18更多。
把火星大气里的同位素与这些陨石里的同位素进行对比，证实了这一重大发现。例如，一块这种陨石(显然是在大约1.7亿年前，而非数十亿年前形成的)所含的碳酸盐里的同位素比例，与“凤凰”号测量的火星大气的同位素比很相符。据奈尔斯说，同位素迹象表明，火星表面曾出现过液态水，而且数量足以对现在的火星大气成分产生影响。这说明水最初出现在滴水成冰的环境下。
这些研究结果为证明促使形成碳酸盐的水环境在目前寒冷、干旱的火星上仍然存在提供了有力证据。鲍恩顿说：“这说明碳酸盐是在水和火星大气(在相对较近的地质环境下形成的)的影响下生成的。”奈尔斯说：“这一发现并没揭示液态水和火山口形成的特定地点或时期，但是在这些环境下发生的地质活动，为我们发现的同位素比提供了最好解释。”