探索大氣氧化如何造就現代火星

和地球一樣，火星大約在 45 億年前形成，但它早期的表面與今天大不相同。在被稱爲“晚期重轟炸期”的時期，火星表面的隕石和小行星撞擊率曾很高。

然而，如今的火星寒冷、乾旱，有兩個冰極，其大氣層呈氧化性——比如，富含鐵的物質會生鏽；而早期的火星則具有冰冷的高地、間歇性的溫暖以及還原性大氣等特徵。

氣候轉變的原因一直不明。如今，一個來自中國的研究團隊發現了證據，表明大氣氧化致使火星在其早期歷史中既寒冷又呈兩極化。他們的工作發表在《自然通訊》上。

諾亞紀是火星的早期階段，小行星撞擊率頗高，可能存在大量地表水。確切的時間間隔不確定，但諾亞紀可能在 41 億至 37 億年前。隨後是 37 億至 30 億年前的西方紀。

近年來出現的證據表明，早期火星有一個以二氧化碳（CO2）爲主的大氣層，還有像氫氣這樣的還原性氣體。在還原性大氣中，由於沒有氧氣及其他氧化性氣體，氧化作用受到阻止，像氫氣、一氧化碳和甲烷這類還原性氣體能夠輕易吸收任何氧氣，就氫氣而言，會變成水的一種形態。

還原型大氣會產生強烈的溫室效應，這可能在早期火星的升溫過程中發揮了重要作用。由於溫室升溫的強度與還原性氣體的存在緊密相連，當時大氣的氧化導致瞭如今所看到的冷卻現象。（如今火星上的溫室效應僅約爲 8°C，而地球上約爲 33°C。）

火星奧德賽伽馬射線光譜儀是一種測量儀器，位於 2001 年火星奧德賽航天器上，該航天器自 2001 年以來一直在環繞火星運行，返回火星表面頂部 30 釐米地質的相關數據，比如水的位置以及元素的識別情況。

早期研究表明，被確定屬於諾亞紀時代的地形中的表面鐵丰度，與赫斯珀里亞紀時代（37 億至 30 億年前）和亞馬遜紀時代（30 億年至今）的地形以及全球表面平均鐵丰度相比，相對較低。

爲什麼早期火星的鐵丰度與過去 30 億年相比偏低？行星地殼的演化並不能解釋這一情況。這可能是由早期火星上的液態水造成的，因爲鐵的流動性受溫度、酸度、水化學和氧化還原態（即決定元素化學行爲的氧化態）的影響，液態水可能把一些鐵帶到了光譜儀 30 釐米深度範圍之下。這些因素可能決定了火星表面鐵丰度的分佈，尤其是如果大氣也起作用的話。

香港大學的劉嘉誠（音譯）及其同事藉助“火星奧德賽”光譜儀的結果，對古代火星表面鐵在空間和時間上的分佈進行了研究。他們發現，在早期火星的諾亞紀時期，鐵的丰度隨着海拔的升高而降低，然而在較新的諾亞紀地形中，鐵的丰度則隨着緯度降低。

爲什麼會有這種差異？

該小組利用火星的全球地質斷層來確定在火星表面佈置的網格中的相對錶面年齡以及相對鐵丰度。這些數據讓人更好地理解了氧化還原轉變和氣候模式轉變之間的關係。

“我們的發現表明，在諾亞紀期間，火星的表面溫度逐漸從以海拔爲主的模式轉變爲以緯度爲主的模式，同時伴隨着大氣氧化，”他們寫道。

該小組的一個建議是，冰冷的風化情況和“低溫條件導致了表面鐵的消耗，這可能是在還原大氣下通過凍融循環的無氧浸出所促成的。”

浸出是一種在提取冶金領域被廣泛應用的過程，在這個過程中，純金屬從其天然的礦牀（礦石）中被提煉出來。（例如在高爐中冶煉以生產生鐵，生鐵用於製造鋼鐵。）

進一步的分析讓他們得出這樣的看法，儘管水的低 pH 值（低於 3）可以使鐵移動，但酸性浸出無法完全解釋火星表面廣大區域中鐵的耗盡情況。從早期諾亞紀到晚期諾亞紀，鐵浸出強度的降低表明大氣在逐漸氧化；隨着火星大氣的氧化，其溫室效應降低，最終導致了今天看到的寒冷乾燥的行星，兩極都有冰。

“火星表面和大氣的氧化致使火星變冷，冰也從高地遷移到了極地地區，”劉說。他指出，有一些科學家認爲 冰緣環境——厚厚的冰層下的火星地下，結合了穩定、長期的液態水和熱量——可能適合生命居住。