科學家們很早就通過大量的證據知道，數十億年前火星表面存在水，但他們仍在問一個關鍵問題：“水去了哪里，為什么？”經過十年的探索，美國宇航局的火星大氣揮發物演化 (MAVEN) 任務首次報告直接觀察到一種難以捉摸的大氣逃逸過程，稱為濺射，這可能有助于解答有關火星水分流失歷史的長期問題。

在火星早期的歷史中，這顆紅色星球的大氣層失去了磁場，直接暴露在太陽風和太陽風暴的侵襲之下。隨著大氣層開始侵蝕，液態水在火星表面不再穩定，大量水逃逸到太空中。但是，這顆曾經濃厚的大氣層是如何被剝離的呢？濺射可以解釋這一點。

濺射是一種大氣逃逸過程，其中原子被高能帶電粒子撞擊出大氣。

“這就像在游泳池里發射炮彈，”科羅拉多大學博爾德分校大氣與空間物理實驗室的MAVEN首席研究員、該研究的主要作者香農·庫里說道。“在這種情況下，炮彈就是重離子以極快的速度撞擊大氣層，并濺射出中性原子和分子。”

雖然科學家此前曾發現過這一過程發生的痕跡，但他們從未直接觀察過這一過程。先前的證據來自于對火星高層大氣中氬的較輕和較重同位素的觀察。較輕的同位素在火星大氣中的位置比較重的同位素更高，并且研究發現，火星大氣中較輕的同位素數量遠少于較重的氬同位素。這些較輕的同位素只能通過濺射去除。

“這就像我們發現了篝火的灰燼，”庫里說。“但我們想直接看到真正的火焰，也就是火焰噴涌的樣子。”

為了觀測濺射過程，研究小組需要在正確的時間、正確的地點，同時利用MAVEN航天器上的三臺儀器進行測量：太陽風離子分析儀、磁力儀以及中性氣體和離子質譜儀。此外，研究小組還需要在低海拔地區對火星晝夜兩面進行測量，這需要數年時間才能完成觀測。

這些儀器的數據組合使科學家們能夠繪制出一種新的濺射氬與太陽風關系圖。這張圖揭示了高能粒子撞擊大氣層并濺射氬的確切位置的高空氬氣存在情況，并實時顯示了濺射過程。研究人員還發現，這一過程發生的頻率是之前預測的四倍，并且在太陽風暴期間會加快。

對濺射的直接觀察證實，在太陽活動較強的早期火星歷史上，這一過程是大氣損失的主要來源。

庫里說：“這些結果確定了濺射在火星大氣消失和確定火星水歷史中的作用。”

這一發現于本周發表在《科學進展》雜志上，對于科學家了解火星表面存在液態水的條件以及液態水對數十億年前火星宜居性的影響至關重要。

MAVEN任務是美國宇航局（NASA）火星探索計劃的一部分。MAVEN 的首席研究員位于科羅拉多大學博爾德分校的大氣與空間物理實驗室（LASP），該實驗室還負責管理科學運行以及公眾宣傳和溝通。 位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心負責管理MAVEN任務。洛克希德·馬丁航天公司建造了該航天器并負責任務運行。位于南加州的NASA噴氣推進實驗室提供導航和深空網絡支持。