火星損失的大氣去哪兒了？最新發(fā)現(xiàn)是，可能就“藏”在火星上

出品：科普中國

作者：地星引力

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為拓展認(rèn)知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，認(rèn)識令人驚嘆的世界。

在我們目前的認(rèn)知中，火星是一顆赤紅色的荒涼星球。

但是，隨著最近這些年我們對火星的研究越來越深入，科學(xué)家們意識到，火星曾經(jīng)也是一個富含液態(tài)水的星球。而且，液態(tài)水的含量還極其龐大，不僅在火星表面形成了規(guī)模巨大的河流，而且甚至還曾造就了一個巨大的海洋。**關(guān)于這些液態(tài)水的證據(jù)，我們普通人通過火星探測器發(fā)回的照片就能直觀地看到。

火星上的河流遺跡

（圖片來源：NASA）

火星上的河流三角洲

（圖片來源：NASA）

發(fā)現(xiàn)火星曾富含液態(tài)水，意味著什么？

既然液態(tài)水能存在于火星地表，也就說明，當(dāng)時火星上的溫度一定相對溫暖，否則液態(tài)水早就被凍成了冰殼！更進(jìn)一步推理，為了讓火星表面溫度適宜，火星的大氣層也一定與現(xiàn)代的地球類似，稠密且保暖。

通過科學(xué)觀測，地質(zhì)學(xué)家們推測，在當(dāng)時火星上的二氧化碳濃度在0.25-4巴之間（bar，1巴近似等于一個大氣壓，也就是我們地表的正常大氣壓）。而目前，火星上的二氧化碳濃度僅為0.054巴。這說明，火星曾經(jīng)經(jīng)歷了極為巨大的氣體損失。

火星上的稀薄大氣層

（圖片來源：NASA）

火星上的巨量氣體去哪了？

科學(xué)家們認(rèn)為，火星上二氧化碳的減少發(fā)生在大約35億年前，這也是火星上的水開始快速消失的時間節(jié)點。

但是為什么火星上的二氧化碳會消失？

之前有理論認(rèn)為，可能是太陽風(fēng)不斷剝離火星上的大氣導(dǎo)致的。但根據(jù)最近的研究，科學(xué)家們利用2007年-2017年之間對火星大氣逃逸數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)在最近的40億年以來，最多只能帶走9毫巴的大氣——這比火星上的實際大氣損失低了兩個數(shù)量級。

因此，火星上二氧化碳的消失依然是一個謎。

近期，麻省理工學(xué)院的兩位地質(zhì)學(xué)家提出了一個可能的答案：火星失蹤的二氧化碳或許被鎖在了火星表面的黏土層中。

火星上的液態(tài)水演化史，圖中的數(shù)字如4.0，3.8等代表40億年，38億年等

（圖片來源：NASA）

鎖住二氧化碳生成甲烷，地球上也有類似發(fā)現(xiàn)

這句話聽起來很反常識，不過地質(zhì)學(xué)家們其實在地球上也發(fā)現(xiàn)了類似的過程：二氧化碳會與某些巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成甲烷。

雖然在大家的常識中，甲烷與生物過程有密切關(guān)系，要么直接在生物體內(nèi)形成，要么是生物死亡以后，其有機質(zhì)被掩埋，然后在無氧環(huán)境下因微生物消化而產(chǎn)生。因此，后一個因素形成的甲烷往往是天然氣的主要成分。

2017年全球甲烷產(chǎn)生源頭和減少因素，左側(cè)為源頭，右側(cè)為減少因素

（圖片來源：Wikipedia）

但是，除了以上成因的甲烷之外，地質(zhì)學(xué)家們很早之前就在南非、加拿大以及芬蘭的前寒武紀(jì)非沉積地層中發(fā)現(xiàn)過大量甲烷。

之所以要強調(diào)非沉積地層，是因為我們目前發(fā)現(xiàn)的石油、天然氣等化石燃料都是由于生物死亡后沉積在湖海底，沉積物形成的巖石也因此被稱為沉積巖。而非沉積地層則是指因為巖漿作用，或巖漿巖經(jīng)過變質(zhì)作用（也就是高溫高壓而導(dǎo)致的巖石變化過程）而形成的地層，顯而易見，在這些地層中，基本上不會有生物存在。

而之所以強調(diào)前寒武紀(jì)，其實是因為在比寒武紀(jì)（約5.4億年）還要古老的時代中，地球上的生物還比較稀少，且主要是個頭微小的藻類和細(xì)菌。

因此，在前寒武紀(jì)非沉積地層中發(fā)現(xiàn)的大量甲烷就很明顯不會與生物成因相關(guān)。

與生物無關(guān)，那這些甲烷是如何形成的？

為了搞清楚這些甲烷是如何形成的，地質(zhì)學(xué)家們進(jìn)行了長期的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被發(fā)現(xiàn)有大量甲烷存在的巖層，基本上都屬于超鎂鐵質(zhì)巖層。所謂的超鎂鐵質(zhì)，指的是巖石中含有大量的鎂和鐵成分（橄欖石就是其中最典型的礦物之一），形成這些巖石的巖漿都來自地幔處。

在巖層形成后，它們會因為板塊運動，抵達(dá)大洋中脊、俯沖帶等區(qū)域，這些區(qū)域富含大量水分，同時溫度也不是特別高（0~600℃），巖石就會發(fā)生變質(zhì)作用。它們會通過一系列化學(xué)反應(yīng)形成蛇紋石，這被稱為蛇紋石化。在這個過程中，巖石中含有的鐵化合物就會和水反應(yīng)形成氫氣。

橄欖石不僅是一種寶石，也是組成超鎂鐵質(zhì)巖的重要礦物之一，它的綠色就來自其內(nèi)部含有的鐵元素

（圖片來源：Wikipedia）

形成氫氣的可能反應(yīng)之一

一旦氫氣形成，它們就能通過薩巴捷反應(yīng)（Sabatier reaction）形成甲烷。薩巴捷反應(yīng)是由法國化學(xué)家保羅·薩巴捷等人于1897年發(fā)現(xiàn)的，它是在300-400℃的溫度，以及高壓之下，通過鎳觸媒，氫氣和二氧化碳就會發(fā)生反應(yīng)生成甲烷和水，如果加入催化劑如氧化鋁等，反應(yīng)速度還會大大加快。基于這種分析，一些地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為地下深處因此形成的甲烷數(shù)量不亞于生物成因形成的甲烷。

薩巴捷反應(yīng)的化學(xué)方程式

科學(xué)家探測推斷：火星黏土也扮演了相同角色

而通過火星探測，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在火星上也同樣存在大量富含橄欖石的巖石，如果這些巖石經(jīng)歷蛇紋石化過程，它們就會吸收大量水分和二氧化碳。經(jīng)過計算，如果火星地表2公里深度內(nèi)的巖石都經(jīng)過蛇紋石化，那么這將會讓火星大氣中的二氧化碳減少約5巴，同時生成大量甲烷。

而這些甲烷中的很大一部分則可以在形成后被火星上大量存在的黏土吸收。黏土在地球上種類多樣，包含非常多的礦物。比如我們非常熟悉的高嶺石就是一種黏土礦物，此外還有蒙脫石，綠泥石，地開石，珍珠石，皂石等。而根據(jù)研究，在火星上的黏土礦物中，62%是蒙脫石，23%為綠泥石。

蒙脫石的電子掃描顯微鏡照片，可以看到其為片狀礦物

（圖片來源：Wikipedia）

蒙脫石的原子結(jié)構(gòu)，在原子之間的大量空隙就是其吸附力的來源

（圖片來源：Wikipedia）

蒙脫石是由巖漿巖中富含二氧化硅的礦物風(fēng)化而成，是一種片狀的，具有非常多孔洞的礦物，我們可以將其想象為礦物中的海綿。而且經(jīng)過研究，蒙脫石的吸附性非常好，其最大可吸附的甲烷量大約為其重量的0.6%，遠(yuǎn)超其他的黏土礦物，如伊利石或綠泥石。

不過由于目前我們對火星的探測有限，科學(xué)家并不知道黏土層的厚度，只能進(jìn)行估計并計算。他們認(rèn)為火星上蒙脫石的平均等效厚度的比較合理范圍為117-1440米。若取蒙脫石厚度的下限117米，這些蒙脫石可以吸附0.07巴的二氧化碳，而若是取上限1440米，則其可以吸附1.7巴的二氧化碳。

火星上形成甲烷以及甲烷被黏土吸附的模型

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

而根據(jù)更進(jìn)一步的碳同位素和氫同位素的研究，科學(xué)家們推斷火星上的原始大氣中可能有大約0.4~1.5巴的二氧化碳被吸收到了黏土礦物中。

未來，有望在火星就地開采利用甲烷

這個研究實際上對我們未來的火星探測與開發(fā)具有非常重要的意義，因為這一方面意味著我們很有可能直接能從火星上開采出化石燃料（甲烷）使用，而不必從遙遠(yuǎn)的地球運輸過來。更進(jìn)一步，如果我們考慮到前幾年中國科學(xué)家利用二氧化碳合成淀粉的新聞，那么我們未來甚至可以直接以甲烷作為能源，抽取火星大氣上的稀薄二氧化碳在火星制作食物。

此外，甲烷還是一種溫室效應(yīng)極強的溫室氣體，在20年周期內(nèi)，甲烷的全球變暖潛勢（GWP）是二氧化碳的83倍，也就是說，在20年內(nèi)，一噸甲烷帶來的全球變暖效果相當(dāng)于83噸二氧化碳。甲烷的這個能力在地球上自然是極為危險的，但在火星上卻能極大幫助我們加快火星的地球化改造進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)：

1.Murray J, Jagoutz O. Olivine alteration and the loss of Mars’ early atmospheric carbon[J]. Science Advances, 2024, 10(39): eadm8443.