无论是出于对地外生命的幻想，还是为了更好地了解我们的邻居，火星总是汇聚着大量科学家和普通民众的目光。与地球相比，这颗行星的大气层显得过于稀薄。火星大气的96%都是二氧化碳，它的密度甚至不及地球大气的1%。如此薄弱的保护层，营造出火星干燥、严寒的环境，也杜绝了液态水大量存在的可能性。

然而，随着一颗颗探索火星的探测器陆续升空、大量火星表面的照片及采样数据返回实验室，我们逐渐发现，火星的气候环境在46亿年的演化历程中发生过翻天覆地的变化。有明确证据表明，早期火星曾是一颗有着广阔海洋的温润星球。伴随这一结论而来的，是一系列关于火星的疑团。为什么大量液态水可以存在于如此严苛的环境中？难道说，火星也曾拥有浓密大气层的保护？如果这样，火星的大气层又是怎样消失的？

代替我们拜访火星、寻找火星大气演化线索的，是美国航空航天局的火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）探测器。2013年11月，MAVEN探测器在从佛罗里达州升空。经过近一年的旅程，MAVEN进入火星轨道，在对火星高层大气的探测过程中，逐步揭开了火星大气的演化史。

太阳风暴

早期火星的大气层究竟是什么样？我们无法给数十亿年前的火星拍照，但通过捕捉现代火星大气的逃逸过程，MAVEN为我们指出通向早期火星的线索。

研究人员发现，火星大气正以两种主要的途径向太空逃逸。当太阳发出的等离子体带电粒子流（即太阳风）吹向火星大气，太阳风中的带电粒子可能与大气中的分子发生碰撞。碰撞的结果是，气体分子丢失电子，成为带正电荷的离子。这时，太阳风带来的电场使离子加速，逃离火星大气。该过程称作离子逃逸，对于MAVEN，这也是最容易定量统计的逃逸机制。

根据MAVEN对高层大气中离子的统计，火星大气正以每秒约100克的速度向太空逃逸。这个数值并不算显眼，但在2015年3月8日，MAVEN幸运地经历了一场导致离子逃逸的速率大幅提升的太阳风暴。太阳风暴发生时，带电粒子流的数量飙升，离子逃逸的速率因此提升了惊人的10~20倍。

而火星大气逃逸的另一种方式，是喷溅逃逸。这一机制同样基于太阳风中带电粒子对气体分子的撞击。在高能粒子的撞击下，高层大气中的气体分子四处飞溅，其中一部分就在这一过程中获取了足够的动能，逃脱火星的束缚。

显然，离子逃逸与喷溅逃逸的速率都取决于一个条件——太阳风的强度。当太阳风暴出现时，火星大气消失得更快。现阶段，太阳风暴出现的频率并不高，但在太阳系早期阶段，情况就大不相同了。早期太阳活动更加剧烈，太阳风暴的频率和强度都远高于现在。因此，一个合理的推测应运而生：在生命初期，火星很可能也是一颗由浓密大气包裹的温暖行星，但由于早期太阳风暴更强，而火星较弱的磁场也不足以对大气层构成有效保护，最终海洋与浓厚的大气层一同从这颗星球上消失了

同位素证据

经过MAVEN的初步探测，科学家对火星早期的大气层作出了一个看上去合理的推测，但仍然缺乏确凿证据。在上周发表于《科学》（Science）的一篇论文中，通过从MAVEN获取的氩同位素数据，论文作者Bruce Jakosky团队最终定量证明了火星演化过程中大气层的变化。

为什么将氩选作研究对象？上文展示了分子逃逸机制的复杂性，这妨碍了研究人员对单一过程的分析。而氩气是一类稳定的惰性气体，难以转变为离子或发生化学反应，因此喷溅逃逸成为它们从火星大气逃逸的唯一方式。

在这项研究中，科学家关注的是氩的两类稳定同位素——氩36和氩38。在喷溅过程中，较轻的氩36的逃逸比例高于氩38。这倒不是因为太阳风的粒子能将氩36撞得更远。真正的原因是，氩36较轻，它们在火星大气处于更上层的位置，因此更容易在距火星表面200千米的散逸层受到太阳风粒子撞击，并逃离火星。

通过分析火星大气层不同高度的38Ar/36Ar值，研究团队发现，在过去的40亿年间，火星大气中66%的氩已经消失。虽然对氩气在火星大气中的含量变化给出了解答，但毫无疑问，这种含量十分有限的稀有气体绝不是科学家的最终目标。人们更关心的是，既然过半的氩气已经消失在火星的演化历程中，那么更重要的火星大气成分，例如二氧化碳，又经历了怎样的变化呢？

基于对氩气的测量数据，Jakosky团队展示了对二氧化碳浓度的模拟结果：在火星演化的过程中，10%~20%的二氧化碳通过喷溅过程逃逸至太空。这一比例不算高，但与氩气相比，二氧化碳逃逸的途径更多。除了这些通过喷溅逃逸的部分，更多的二氧化碳通过离子逃逸离开火星。当然，考虑到二氧化碳在大气中复杂的行为，现阶段研究人员还难以定量研究它们的变化情况。

此外，这些研究的另一个意义在于，早期火星大气的去处得到了证实。此前，一些人认为，曾经浓厚的大气二氧化碳层并没有离开火星，而是大量储存在浅层的碳酸盐岩层或是极地的冰盖中。在论文中，Jakosky对这一观点予以反驳。根据MAVEN获取的一系列数据，与逃逸至太空的二氧化碳相比，埋藏在岩石中的二氧化碳只占了一小部分，而冰盖中的二氧化碳含量更是微乎其微。

因此，在过去40多亿年间，火星经历了一段不可逆的气候变化：当构建大气层的温室气体二氧化碳消逝在深邃的宇宙中，火星就再也不可能依靠自身的演变，恢复这一段温暖湿润的时期。所以，相比于期待移民火星，或许我们更应该珍惜我们头顶的大气层，以及它带来的宜居世界。

本文转自：《环球科学》