发现火星大气层消失之谜

一、据说又是重大发现

 北京时间11月6日凌晨3点，美国东部时间11月5日下午2点，美国航空航天局通过NASA电视台(NASA TV)在其华盛顿总部的詹姆斯·韦伯礼堂举行新闻发布会，介绍马文号探测火星大气的重要发现。

火星和地球一样曾经有过浓厚的大气层，火星大气层是如何消失的？这一问题现在有了较强的证据支持

 参加新闻发布的科学家包括：NASA火星探索项目首席科学家迈克尔·迈耶、马文号首席科学家布鲁斯·亚科斯基(Bruce M. Jakosky，科罗拉多大学波尔得分校大气与空间物理实验室)、马文号太阳风离子分析仪责任科学家贾斯彭·赫拉卡斯(爱荷华大学)、马文号科学家团队成员、华人科学家董亚雪(科罗拉多大学大气与空间物理实验室)、马文号合作研究员大卫·布雷恩(科罗拉多大学大气与空间物理实验室)。新闻发布会给现场记者安排了简短的问答环节，感兴趣公众也可以通过电话连线或NASA社交账号参与互动。

 马文号(MAVEN)是火星大气与挥发分演化探测器的英文缩写，是第一颗专门研究火星高层大气的探测器，目的是回答火星大气消失的原因。2013年11月19日发射，2014年9月22日进入环绕火星的椭圆轨道。目前已在轨探测一年多，在火星北半球发现了紫外线极光，并在高层大气中探测到神秘尘埃云。

太阳风吹走火星高层大气示意图

二、马文号究竟发现了什么

 与NASA新闻发布会同步的是，著名科学期刊《Science》发表了马文号的四篇论文，以《马文号探测火星高层大气》（MAVEN Explores the Martian Upper Atmosphere)专刊的形式在线发表。地球物理研究快报也有相关的文章报道研究成果。这些研究成果成为今天新闻发布会的主要依据。

 经过几十年的火星探测，包括轨道器、着陆器和火星车的探测，火星探测的新发现不断冲击人类的想象力，给我们带来探索未知世界的惊喜。我们越是了解火星，就越可以发现火星内部、火星表面和火星大气之间的相互联系。火星是否具有适合人类移居的潜力?火星上是否存在大规模的水?火星气候是如何变迁的?回答这些问题的关键，是了解火星不同系统之间的相互关系随时间变化的历史。

 之前的火星探测任务已经证明，火星曾经有过大规模的液态水，这要求火星有浓厚的二氧化碳大气层，以实现持有液态说所需要的温室效应。但大气层中的二氧化碳来自哪里?火星上的液态水来自哪里?我们在火星表面或一定深度都没有发现充足的含碳矿物，无法支持火星曾经浓厚二氧化碳被埋藏到了地下。然而，火星大气逃逸、消散到太空中可能是火星气候变化的主要原因。马文号通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用，研究火星大气逃逸过程。

 由于火星没有全球性的磁场，太阳风可以直接抵达火星，将火星高层大气中的带电离子驱赶走。而地球由于有磁场的保护，带电的太阳风离子无法直接抵达地球大气层，导致太阳风离子对地球和火星大气产生了不同的影响。马文号测量了火星大气中离子的总逃逸速率及其速率变化，探测结果发现，过去40亿年中，火星大气粒子逃逸对气候变迁有巨大影响。

 根据行星内部发电机理论，行星磁场源自内部有电流的循环。行星内部有熔融的导电流体，才会有全球性行星磁场。由于火星体积较小，放射性元素含量较低，因此放射性衰变产生的热量较早衰竭，火星内部很早就已基本固结，所以火星没有全球性的偶极磁场，无法屏蔽带电的太阳风粒子。

全球性的偶极磁场保护了地球大气层

 火星大气逃逸主要发生在三个区域：一是太阳风吹到火星背面，占大气逃逸总量的75%;二是极区上空，占大气逃逸总量的约25%;三是绕火星的延展云层，仅占大气逃逸总量的很小部分。

 不仅太阳风，不时出现的太阳风暴产生的影响更为显著。尤其是在太阳系形成的早期，太阳风暴出现的几率更频繁。

 当太阳风暴击中火星大气层时，大气逃逸速率将提高约10-20%。平均火星每秒约有100克的大气被吹走，相当于一个大面包的质量。

三、火星最近很忙，NASA要干大事

 目前，火星轨道上共有5颗火星探测器正在工作，其中包括2001年发射的“奥德赛”号火星轨道器、2005年发射的“火星勘测轨道器”、2013年发射的马文号、欧空局2003年发射的“火星快车”轨道器、印度2013年发射曼加里安号。火星表面还有两辆火星车正在工作，分别是2003年发射的“机遇”号和2011年发射的好奇号。

 与耗资26亿美元、研究火星表面地质和物质组成的好奇号火星车不同，马文号是第一颗探测火星高层的探测器，大部分时间停留在距离火星表面约150千米至6000千米间的椭圆轨道，并5次下降到距离火星表面125千米处，即火星高层大气的最下边界，获得不同高度的火星大气分析数据。而对火星大气的认识和了解将有助于人类未来登陆火星的计划。

 虽然发射时间晚于2013年11月5日发射的印度曼加里安号火星探测器，但马文号于2014年9月22日进入火星轨道，比曼加里安号提前两天抵达火星。美国人一直对印度“抢先”发射的曼加里安号嗤之以鼻，他们认为，曼加里安号根本没法与好奇号、马文号相比。印度的火星探测在很大程度仅仅只是技术展示，说明印度有火星探测的能力，但其科学探测能力完全无法与先进的好奇号或马文号相提并论，也就是说，曼加里安号并不会有什么像样的科学成果，而只是一次技术验证。

 7月，飞越冥王星，发现另一个地球;9月，发现火星现存液态水;11月，发现火星大气消失之谜，NASA今年真的很忙。特别是数次通过提前预告、渲染神秘气氛的方式，成功吸引了全球媒体的广泛关注。虽然此举有炒作嫌疑，但让更多的人关注太空、关注科学，无疑比娱乐恶搞、噱头营销要好得多。

 火星是美国太阳系探测战略的核心。目前，火星探测的科学战略从早期的全球普查，逐渐聚焦到对重点地区开展精细探测;从火星找水逐步转到寻找生命信息。科学界越来越清晰地认识到，火星是人类面临重大灾难时最有可能去的避险地。火星上发现了三角洲、冲击扇、沟渠等大量流水侵蚀地貌;一些盆地与中国柴达木盆地中的干涸盐湖十分相似，说明火星上曾经发育过大型湖泊;2007年发射的凤凰号着陆器直接探测到了火星土壤中的水蒸气。这些证据表明，火星土壤就像青藏高原的冻土层一样，现在仍然含有水。

 虽然有些力不从心，但NASA的雄心从未消退。它一心就想干一番大事业——实现人类登陆火星的梦想。在太阳系中，火星的自然环境与地球最相似，是唯一经改造后适合人类长期居住的天体。自9月28日NASA宣布在火星表面发现液态水后，更多迹象表明火星可能拥有适宜生命存在的环境。此次马文号对火星大气消失之谜的关键性发现将有助于进一步了解这颗神秘的红色行星，并为20年后实现人类首次登陆火星提供重要依据。

联系作者：zyc@nao.cas.cn

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