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曾几何时，火星的大气层与现今的样貌大不相同。根据科学家的地质观察和分析，火星早期拥有浓密的大气层，其中二氧化碳（CO₂）的压力曾高达0.25至4巴，这甚至超过现今地球大气压1巴的水平。然而，现今的火星却只保有约0.054巴的二氧化碳储存量，显示出巨大的损失。这一转变反映在火星地质从“温暖潮湿”到“寒冷干燥”的气候变化。特别是在晚诺亚纪和西方纪之间的气候转折期中，这一现象尤为显著。对于火星如此剧烈的二氧化碳损失，科学界提出了多种假说，但目前尚无明确的解释。那么，火星的这些大气究竟去了哪里呢？

一种普遍的观点认为，由于火星的质量相对较小，其引力不足以持住浓密的大气层，造成大量气体逃逸到外太空。与地球相比，火星缺乏足够的磁场保护，使得其大气更易受到太阳风和宇宙射线的撞击，这进一步助推了大气的逃逸过程。此外，还有一种观点是，火星的二氧化碳可能进入了地壳的岩石中，被封存了起来。地质活动和化学反应将部分二氧化碳锁进矿物结构中，如此一来，大气中的二氧化碳逐渐减少，形成今天我们所见的“稀薄”火星大气。

最近，为了回答火星地壳岩石对二氧化碳的封存作用，美国的一个科学家团队针对已经在火星上发现的岩石和矿物，开展了理论和模拟研究，研究结果发表在《科学进展》杂志上。他们首先基于的基本地质事实是，火星上有贫硅但富含铁和镁的硅酸盐矿物，即橄榄石和辉石组成的火成岩，有水活动的痕迹，也有一些黏土矿物。这三者在地球上也有，而且他们的关系非常密切。在地球上，这种火成岩在被水腐蚀或风化时会形成蛇纹石和蒙脱石等黏土矿物。在火星上，曾有古老的河流，水也可能在那里流动并与底层岩石发生反应。

随后，科学家利用地球上水与这类火成岩相互作用的知识，创建了一个适用于火星的模型。利用这一模型，他们发现，在十亿年的时间里，水可能已经渗透过地壳深处，与橄榄石发生了反应。反应后会释放出氢气。

接下来，释放出的氢气可能与水中的二氧化碳结合形成甲烷。这种反应慢慢地将橄榄石转化为另一种富含铁的岩石——蛇纹石。随着蛇纹石继续与水发生反应，最终可能形成蒙脱石。

而蒙脱石黏土具有强大的碳储存能力。考虑到火星表面估计覆盖的黏土量，这个科学团队认为，火星黏土可以储存相当于火星最初早期大气层中约80%的二氧化碳。

这项研究还有哪些科学意义呢？

首先，黏土矿物吸附二氧化碳的发现，为火星大气二氧化碳减少提供了新机制。除了科学上的意义，这些封存的碳也可能成为未来火星探索的重要资源。例如，虽然在地球上2 wt % TOC被视为页岩气经济开采的最低标准，但在太空探索中此标准未必适用，0.5 wt %的碳含量或许就是有价值的燃料来源。

未来，开采火星上的有机碳，特别是甲烷，可以为远途太空任务或返回飞行提供推进剂。此外，甲烷和氢作为火星大气中的强温室气体，可以更有效地用于“地球化”。这种资源的集中利用以及有机碳在页岩或捕集层中的聚集过程，将使开采计划更具实际意义，并为寻找地下浓缩沉积物提供科学支持。

通过研究类似的过程，人类也许可以更好地理解地球早期大气中二氧化碳含量变化的历史，这对认识地球和火星的气候演化都有重要的参考价值。

总之，火星大气的变化和消失不仅是对太阳系历史的一次揭示，更可能呈现出未来人类拓展空间边界、开发宇宙资源的无限可能。随着科学技术的不断进步，这些过去封存于未知中的答案将逐渐被揭露，为我们带来关于火星以及整个宇宙的更多启示。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：肖龙

审核：周炳红 中国航天科普大使 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 创作培育计划

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