利用氣候模型驗證火星早期的溫室效如何形成洪水 _美國

左圖為美國科羅拉多大峽谷，由科羅拉多河長期沖蝕形成；右圖為好奇號拍攝的火星夏普山，這里曾是一個巨型湖泊。

火星阿瑞斯谷附近，早期洪水沖蝕留下的島嶼痕跡，火星奧德賽探測器拍攝。
（報道）據(jù)騰訊太空（桂林/編譯）：火星表面廣泛分布的峽谷網(wǎng)絡(luò)很可能是數(shù)十億年前洪水沖蝕形成的，但是洪水是怎么形成的目前依然未知。近日，賓夕法尼亞州立大學(xué)與美國宇航局的研究人員利用氣候模型驗證火星早期的溫室效如何形成這些洪水。
賓夕法尼亞州立大學(xué)天體物理與天體生物學(xué)研究生，娜塔莎•巴塔利亞（Natasha Batalha）說：“所有人都在搜尋火星上的生命，如果這些早期流水的證據(jù)表明火星曾是個適合生命生存的星球，那么現(xiàn)在火星上依舊存在生命的可能性會大增。我們的工作包括用氣候模型來準確推測38億年前火星表面發(fā)生的事情。”
此前對火星隕石坑的研究分析支持火星早期表面有流動的洪水，但是當(dāng)時火星表面升溫能夠融化水冰是怎么發(fā)生的，究竟有多少水依然是謎。
賓夕法尼亞州立大學(xué)著名地球科學(xué)教授，詹姆斯•卡斯廷（James Kasting）說：“如果我們將火星上的這些峽谷與地球的相比較，比如科羅拉多河，它們看起來擁有相同的寬度，而科羅拉多大峽谷正是五六百萬年的長期降雨沖蝕形成的，這幾百萬年的總降水量達到9億到18億毫米。”
2014年卡斯廷教授的研究小組提出一個氣候模型表明：火星早期變暖是因為當(dāng)時有一個由溫室氣體組成的稠密大氣層，具體說是二氧化碳，此外還有氫氣。在最近一期的行星科學(xué)頂級雜志《伊卡洛斯》上，研究小組報告提到使用光化學(xué)模型，他們確定火星早期存在一個氫氣含量較高的大氣層。
卡斯廷與巴塔利亞的小組用光化學(xué)模型模擬了大氣的各個方面，包括利用數(shù)學(xué)確定化學(xué)成分及它們?nèi)绾伟l(fā)生反應(yīng)，他們還明確了在火星地表與大氣里的不同反應(yīng) 。
巴塔利亞說：“我們工作的重點是確定當(dāng)時的火星是否有一個氫氣含量在5%的大氣層。對類地行星來說，大氣里氫氣含量在5%顯得太多。通常類地行星不會有這樣的大氣組成，因為氫原子較輕，非常容易從大氣中逃逸。”
為了能夠讓大氣中的氫氣含量增高，當(dāng)時的火星需要存在板塊運動造成的火山活動。雖然研究人員確信有證據(jù)表明在火星早期存在一定的板塊構(gòu)造，但這一理論目前仍然有爭議。研究小組將尋找更多證據(jù)支持他們的氣候模型，但不依賴于板塊構(gòu)造理論。一種可能性是氫的逃逸速率比目前預(yù)測的要慢很多。
卡斯廷表示，一個競爭性的假說，稱之為“碰撞假說”，主張當(dāng)時有大規(guī)模的小行星撞擊轟炸造成了火星表面臨時性的增溫，產(chǎn)生了含有大量水汽的大氣環(huán)境，這些水汽凝結(jié)產(chǎn)生降雨，在火星表面沖蝕形成今天的峽谷。然而，這樣的總降水量只有約50萬毫米，而形成科羅拉多大峽谷的總降水量達到10億毫米。
仍在火星工作的好奇號火星車發(fā)回的數(shù)據(jù)表明，好奇號所在的蓋爾隕石坑目前仍有液態(tài)水存在。巴塔利亞稱，進一步的證據(jù)顯示水在火星表面存在了數(shù)千萬年，這支持火星早期擁有一個較為溫暖的氣候，并把“碰撞假說”排除在外。
“盡管好奇號不能直接證明我們“高氫氣含量的大氣”假說，但是火星早期持續(xù)了數(shù)百萬年時間的溫暖氣候，這直接指向了當(dāng)時火星大氣擁有較高氫氣含量。除此之外，我們沒有找到更合理的假說解釋當(dāng)時火星的溫暖氣候，其他的溫室機制在我們的模型里都失敗了。”巴塔利亞說。
同時在這個項目上工作的還有宇航局的空間科學(xué)家高德曼(Shawn Domagal-Goldman)，賓夕法尼亞州立大學(xué)地球科學(xué)博士，現(xiàn)任康奈爾大學(xué)副研究員的拉美西斯•拉米雷斯（Ramses Ramirez）。
【利用氣候模型驗證火星早期的溫室效如何形成洪水】美國國家科學(xué)基金會，宇航局宇宙與天體生物學(xué)項目，西蒙基金會與卡爾•薩根研究所支持了這項工作。