行星科學中尚未解答的一個主要問題清楚地刻在火星地貌上。火星上由古代河流沖刷形成的深邃峽谷表明，這顆行星曾經溫暖到足以支持液態水的流動。但它是如何演變成我們今天看到的寒冷干燥的沙漠的呢？又是什么導致了這種劇烈的轉變？

美國宇航局的“好奇號”探測器在攀登火星夏普山時拍攝了這張照片。一項研究對火星為何如今卻一片荒蕪提出了新的解釋。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/MSSS

芝加哥大學對火星科學實驗室好奇號探測器的數據進行的分析或許可以解釋為什么這顆行星在近代大部分時間里可能是一片荒涼的沙漠。

芝加哥大學行星科學家埃德溫·凱特領導的一項新研究，為這個長期存在的謎團提供了新的解釋。這項研究于7月2日發表在《自然》雜志上，提出了一個模型，表明火星經歷了由太陽亮度逐漸增加引發的短暫溫暖期。然而，由于火星獨特的環境條件，這些溫暖期持續時間很短，之后火星逐漸恢復到干燥、不適宜居住的狀態。與一直保持適宜居住的地球不同，火星似乎遵循一種自然模式，隨著時間的推移，火星的氣候條件逐漸趨向于類似沙漠的環境。

這項研究以美國宇航局火星科學實驗室好奇號任務于四月份宣布的發現為基礎：火星車最終發現了富含碳酸鹽礦物的巖石，這可以解釋火星大氣層的去向。

“多年來，我們一直有一個懸而未決的問題：為什么地球能夠保持宜居性，而火星卻失去了宜居性？”參與“好奇號”任務的地球物理科學副教授凱特說道。“我們的模型表明，火星宜居時期只是例外，而非常態，火星通常會像一顆沙漠星球一樣自我調節。”

火星的構成與地球幾乎相同——它是一顆巖石行星，擁有豐富的碳和水，距離太陽足夠近，能夠被太陽加熱，但不會被太陽“蒸干”——然而如今它卻是一片冰凍的沙漠，而地球卻充滿生機。多年來，科學家們一直在尋找答案，為什么你讀到這篇文章是在地球上，而不是在火星。

當我們看到火星表面由河流沖刷出的山谷和古老的湖床時，謎團更加深了，這表明該星球在某個時期確實擁有足夠溫暖的氣候，可以容納液態水。

“幸運的是，火星表面的巖石中保留了那場環境災難的痕跡，”凱特說。“如今我們正處于火星科學的黃金時代，兩輛钚動力火星車已經登陸火星，一支國際航天器艦隊正在軌道上運行，使我們能夠深入探索這顆星球，尋找這些痕跡。”

說到保持地球溫暖舒適，僅僅從一開始這樣做是不夠的——需要有能夠應對地球內部和周圍變化的長期穩定機制。

這些數據由美國宇航局的火星科學實驗室“好奇號”探測器提供，圖中顯示的是它在2019年行駛過程中的“自拍”。圖片來源：NASA/Caltech-JPL/MSSS

科學家認為，地球通過一個精細平衡的系統來實現這一過程，該系統將碳從天空轉移到巖石，然后再返回。大氣中的二氧化碳使地球變暖，但溫度升高也加速了將二氧化碳鎖定在巖石中的反應，最終抵消了溫度上升。最終，碳通過火山噴發泄漏回大氣中。數百萬年來，這個循環似乎保持了地球的相對穩定，適宜生命生存。

研究人員認為，火星上也可能會發生類似的循環，但這是一個自我限制的循環。

這取決于這樣一個事實：隨著時間的推移，太陽亮度的上升速度非常非常緩慢——大約每十億年上升8%。科學家們假設，隨著太陽亮度的增加，火星上開始出現液態水。但隨后，這些水開始導致二氧化碳被鎖在巖石中，就像在地球上一樣，這導致火星重新變成寒冷貧瘠的沙漠。

“與地球上總有火山噴發不同，火星目前處于火山休眠狀態，火山氣體釋放的平均速度也很慢，”凱特解釋說，“所以在這種情況下，二氧化碳的吸入和排出實際上并不平衡，因為即使只有一點點液態水，也會通過碳酸鹽的形成吸收二氧化碳。”

該團隊建立了廣泛的模型來展示這些波動是如何發生的。他們認為，火星會經歷短暫的液態水時期，隨后是長達1億年的沙漠時期。毋庸置疑，長達1億年的宜居性差距對生命而言是不利的。

這一解釋源于好奇號今年早些時候宣布在火星表面發現富含碳酸鹽的巖石。科學家們解釋說，多年來，這一直是火星謎團中缺失的一塊。

火星要擁有液態水，就必須擁有由二氧化碳等溫室氣體組成的更厚的大氣層。但如今火星的大氣層非常稀薄，碳的去向仍是一個謎。

凱特說：“多年來，人們一直在尋找大氣的墳墓。”最簡單的解釋是，它被吸入巖石中，就像在地球上一樣，但第一次探測車測試并沒有發現任何富含碳酸鹽的巖石的證據。

好奇號最終登上了火星上一座名為夏普山的山峰，發現了這些碳酸鹽巖。隨著探索的繼續，進一步的測試將揭示這些碳酸鹽巖是否如研究人員猜測的那樣廣泛分布。

“這確實是在火星表面部署探測車之前無法得知的事情，”該研究的共同作者、卡爾加里大學教授本杰明·圖托洛說道。“它們提供的化學和礦物學測量數據對于我們持續探索行星如何以及為何保持宜居至關重要，以便在宇宙中尋找其他宜居星球。”

編譯自/scitechdaily