早在1966年加州理工學(xué)院的兩名科學(xué)家，正在思考稀薄二氧化碳(CO2)火星大氣的含義，這是由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)建造并飛行的NASA航天器水手4號(hào)首次所揭示。

他們的理論是：有了這樣的大氣，火星可能會(huì)有一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的極地二氧化碳冰沉積，而這反過來又將控制全球大氣壓?，F(xiàn)在加州理工學(xué)院的一項(xiàng)新研究表明：物理學(xué)家羅伯特·B·萊頓和行星科學(xué)家布魯斯·C·默里開發(fā)的這一理論可能確實(shí)是正確的。

二氧化碳占火星大氣的95%以上，而火星的表面壓力只有地球的0.6%。萊頓和默里的理論，對(duì)火星氣候變化有著巨大的影響，其中一個(gè)預(yù)測(cè)是，當(dāng)行星在繞太陽運(yùn)行的軌道上繞軸搖擺時(shí)，火星的大氣壓力將會(huì)波動(dòng)，使兩極或多或少暴露在陽光下。陽光直射到沉積在兩極的二氧化碳冰上會(huì)導(dǎo)致其升華（物質(zhì)從固體到氣態(tài)的直接轉(zhuǎn)變）。萊頓和默里預(yù)測(cè)，隨著暴露在陽光下的時(shí)間發(fā)生變化，大氣壓力可能會(huì)在數(shù)萬年的周期內(nèi)，從火星大氣四分之一擺動(dòng)到今天的兩倍。

現(xiàn)在，加州理工學(xué)院為NASA管理的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)博士彼得·布勒以及加州理工學(xué)院、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和科羅拉多大學(xué)的同事提出了一個(gè)新模型，為支持這一觀點(diǎn)提供了關(guān)鍵證據(jù)，其研究成果在發(fā)表在《自然天文學(xué)》期刊。研究小組探索了火星南極存在的一個(gè)神秘特征：大量的CO2冰和水冰在交替的地層中沉積，就像蛋糕的層層一樣，延伸到1公里深，頂部有一層薄薄的CO2冰。這層蛋糕沉積物中的二氧化碳含量相當(dāng)于今天整個(gè)火星大氣中的二氧化碳含量。

從理論上講，這種分層應(yīng)該是不可能的，因?yàn)樗榷趸急鼰岱€(wěn)定，更暗；科學(xué)家們長(zhǎng)期以來一直認(rèn)為，如果二氧化碳冰被埋在水冰下面，它會(huì)很快變得不穩(wěn)定。然而新模型表明，沉積物的演化可能是三個(gè)因素共同作用的結(jié)果：①行星自轉(zhuǎn)傾角(或傾斜度)的變化；②水冰和CO2冰反射陽光的方式的差異；③CO2冰升華時(shí)大氣壓力的增加。通常情況下，當(dāng)運(yùn)行模型時(shí)，你不會(huì)期望結(jié)果與觀察到的結(jié)果如此接近。但由模型確定層的厚度，與軌道衛(wèi)星的雷達(dá)測(cè)量結(jié)果非常吻合。

研究人員認(rèn)為，沉積物是這樣形成的：在過去的51萬年里，當(dāng)火星在其旋轉(zhuǎn)軸上搖晃時(shí)，南極接受了不同數(shù)量的陽光，當(dāng)兩極接受的陽光較少時(shí)，二氧化碳冰就會(huì)形成，當(dāng)兩極陽光更充足的時(shí)候，它就會(huì)升華。當(dāng)二氧化碳冰形成時(shí)，少量的水冰與二氧化碳冰一起被困住。當(dāng)二氧化碳升華時(shí)，更穩(wěn)定的水冰被留下來并固化成層。但水層并不能完全封閉沉積物。相反，升華的二氧化碳提高了火星大氣壓，而含有二氧化碳冰層的蛋糕與大氣平衡發(fā)展。

當(dāng)陽光再次開始下降時(shí)，新的二氧化碳冰層就會(huì)在水層頂部形成，這樣的循環(huán)就會(huì)重復(fù)。因?yàn)樯A事件的強(qiáng)度一般都在下降，所以在水層之間留下了一些二氧化碳冰；因此，二氧化碳和水冰的交替。最深的（因此也是最古老的）CO2層形成于51萬年前，之后是最后一段極地陽光，當(dāng)時(shí)所有的CO2都升華到了大氣中。研究對(duì)火星巨大壓力波動(dòng)歷史的確定，是理解火星氣候演變的基礎(chǔ)，包括火星表面附近液態(tài)水穩(wěn)定性和宜居性的歷史。

博科園｜研究/來自：加州理工學(xué)院

參考期刊《自然天文學(xué)》

DOI: 10.1038/s41550-019-0976-8

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