火星上水的去向之謎，答案呼之欲出

火星是一個充滿神秘的地方。它曾經是或者現在是生命的家園嗎？爲何它失去了磁場，致使太陽風颳走了其曾經豐富的大氣層？接下來還有火星消失之水的謎團。乾涸的河牀、三角洲和海洋盆地都證明，這顆紅色星球曾經到處都是水——直到 30 億年前，它開始變成今天的沙漠世界。對於所有的水去了哪裡，有兩種主要的理論：要麼退入地下，要麼昇華到太空中。現在，兩篇論文——一篇於 8 月發表，另一篇於 9 月 5 日發表——表明答案是兩者皆有。

發表在《美國國家科學院院刊》上的第一項研究，依賴於“洞察”號火星探測器的數據，該探測器於 2018 年在火星着陸，並一直運行到 2022 年。“洞察”號配備了一個地震儀，在探測器運行的四年裡測量了多次火星地震。通過振動的頻率確定，能量正在通過一個潮溼的地下層移動，這個地下層所含的水足以在整個火星上形成一個約一英里深的海洋。所以這案子就結了，對吧？沒那麼簡單！

發表在《科學進展》上的新研究，依賴於美國國家航空航天局另外兩艘著名航天器的數據——自 1990 年以來一直在地球軌道上工作的哈勃太空望遠鏡，以及自 2014 年以來一直在環繞火星的“火星大氣與揮發演化”探測器。這兩艘航天器一起收集了關於火星大氣層的數據，“火星大氣與揮發演化”探測器的數據可以追溯到十年前，哈勃太空望遠鏡的數據可以追溯到 33 年前。它們都在觀察氫向太空的逃逸——特別是兩種類型的氫：原子核中只有一個質子的普通氫，以及更重的氫，稱爲氘，其原子核中有一個質子和一箇中子。這兩種類型的原子在火星和地球上都存在，並且都能與單個氧原子和兩個氫原子結合在水分子中。

在火星大氣層中，水分子在來自太陽的紫外線能量作用下分解爲其組成原子。雖然大多數重氧原子仍留在該行星的大氣層中，但氫的情況並非如此。普通氫和氘的重量都比較輕，都容易濺射到太空中，但程度並不相同：由於氘的原子核中多了一個粒子，它更難掙脫火星引力的束縛；輕氫則直接流走。這項新研究由波士頓大學空間物理中心天文學榮譽退休教授約翰·克拉克領導，利用了 MAVEN 和哈勃的觀測結果來追蹤這兩種氫原子的逃逸情況。這使得作者能夠估算火星曾經的水覆蓋程度，以及因流失到太空而損失的水量。

但這項工作不只是把這些數據外推到火星乾涸所歷經的三十億年。那是因爲火星的軌道是不規則的。

地球圍繞太陽運行的軌道呈略微不勻的圓形，平均距離爲 9300 萬英里。火星的軌道則要橢圓得多得多——遠日點，也就是離太陽最遠的那個點，爲 1.55 億英里，近日點，即離太陽最近的距離，爲 1.28 億英里。這極大地改變了全年大氣中的水含量，進而也改變了能夠逃逸的遊離氫的量。

在遠日點，火星天空裡的水含量還不到百萬分之一，而在近日點則超過百萬分之五十。根據哈勃和 MAVEN 的數據，這就意味着在最接近太陽的那個時候，水和氫的損失量是其他時候的 5 到 20 倍。

“近年來，科學家們發現，火星的年週期比人們預期的要活躍得多得多，”克拉克在伴隨該研究發佈的一份聲明中說道。“整個大氣層非常不穩定，在短時間內升溫又降溫，甚至短到數小時。隨着火星上太陽亮度在一個火星年中變化 40%，大氣層會膨脹和收縮。”

這會帶來後果。火星和地球其水中氘與氫的比例最初是相同的，但在火星逐漸乾涸的漫長歲月裡，較輕氫向太空更大的損失改變了這一比例。現代火星中氘相對於輕氫的比例高達地球的八倍之多——地球保留了其厚厚的大氣層，從而也保留了其所有的水。

通過分析這些數字，克拉克和他的合著者估計，在火星上曾經平均可能存在的一英里深的水層當中，可能有數十米到數百米的水逃逸到了太空。這仍然使得大部分流失的水被困在地下或者被封存在極地冰蓋中，但也有大量的水就這樣飄走了。

“水只有兩個去處，”克拉克說。“它可以凍結在地下，或者水分子可以分解成原子，而原子可以從大氣層頂部逃逸到太空。要弄清楚曾經有多少水以及這些水都遭遇了什麼，我們需要了解原子是如何逃逸到太空的。”

致信 傑弗裡·克魯格，郵箱是 jeffrey.kluger@time.com.