火星大气消失之谜

郑永春

2015年11月，美国国家航空航天局（NASA）公开发布了马文号关于火星大气探测的“重要发现”，是继发现火星液态水存在的证据之后，又一振奋人心的消息。那么，这个“重要发现”究竟有多大含金量？不卖关子了，让笔者为您娓娓道来。

经过几十年的火星探测，许多新发现不断冲击着人类的想象力，给我们带来探索未知世界的惊喜。我们越是了解火星，对火星内部、火星表面和火星大气之间的相互联系就越清晰。火星是否具有适合人类移居的潜力？火星上是否存在液态水？火星气候是如何变迁的？回答这些问题的关键，就是了解火星不同系统之间的相互作用，以及这些作用随时间变化的历史。

  地球有全球性的偶极磁场，带电的太阳风离子被磁场屏蔽在大气层外围，从而保护了地球大气不被“吹走”（图片来源：NASA）

“发现者”马文号

马文号（MAVEN）是火星大气与挥发物演化探测器的英文缩写，是世界上第一颗专门用于研究火星高层大气的探测器。它于2013年11月18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。它曾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的尘埃云。

除了马文号之外，目前还有3颗探测器正在环绕火星探测，其中包括NASA于2001年发射的奥德赛号火星轨道器和2005年发射的火星勘测轨道飞行器，以及欧洲航天局（ESA）在2003年发射的火星快车轨道器。此外，在火星表面还有两辆火星车正在开展巡视探测，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大气的探测器，大部分时间，它都会在近火点约150千米、远火点6000千米的椭圆轨道环绕火星运行;但也曾数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”，以获得不同高度的火星大气分析数据。

火星大气去哪儿了？

前文说过，科学家们在火星表面或一定深度都没有发现充足的含碳矿物，这些证据否认了人们曾经的猜想——火星上曾经浓厚的二氧化碳被埋藏到地下。那么，会不会有一种可能：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。马文号就通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用，研究出了火星大气的逃逸过程。

原来，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。而我们所身处的地球，由于有磁场的保护，带电的太阳风离子就无法直接抵达地球大气层。这也致使太阳风离子对地球和火星上的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。

据探测，火星大气的逃逸主要发生在三个区域：一是火星面向太阳风一侧，该侧火星大气被太阳风电离后“吹”到火星阴面并逃逸出大气层，占大气逃逸总量的75%;二是极区上空，占火星大气逃逸总量约25%;三是绕火星的延展云层，仅占火星大气逃逸总量的很小一部分。不仅仅是太阳风，不时出现的太阳风暴对火星大气的影响更为显著。尤其是在太阳系形成早期，太阳风暴出现的几率更为频繁。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%。平均每秒约有100克的火星大气被“吹走”，相当于两个鸡蛋的质量。

目前，火星上仍残存着稀薄的大气层。而在太阳系的八大行星中，火星的自然环境与地球最为相似，是唯一经改造后适合人类长期居住的天体。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。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，并为实现人类首次登陆火星提供重要依据。

  马文号火星探测器（概念图）