火星大部分大氣去哪兒了？太陽風吹跑了

北京時間11月6日凌晨3點，美國宇航局召開新聞發佈會公佈了“火星大氣與揮發分演化探測器”(MAVEN)的重要發現。“火星大氣與揮發分演化探測器”(MAVEN)俗稱“馬文號”，是世界首顆專門研究火星大氣的探測器，它發現了火星由早期温暖濕潤，表面可以支持生命存在的環境，變成今天干燥、寒冷星球的關鍵性原因。

“馬文號”發回的數據使研究人員能夠確定今天太陽風剝離火星大氣的速度。調查結果顯示，在發生太陽風暴期間，如日冕物質拋射等現象時，火星大氣逃逸速度顯著增加，甚至提高10到20倍，這一研究成果發表在了11月5日出版的《科學》和《地球物理學研究快報》上。

NASA科學副總監、前宇航員約翰·格倫斯菲爾德(John Grunsfeld)介紹説：“火星早期擁有一個較厚的大氣，足以支持表面存在液態水，這對生命產生至關重要。明白火星大氣的演化歷史對我們瞭解其他行星大氣層的演變非常有幫助，知曉什麼原因導致行星表面從可以有微生物存在到變得不再擁有生命很重要，這也是美國宇航局載人火星計劃正在解決的一個重要問題。”

左圖：沒有磁場的保護，火星大氣層不斷被太陽風剝離；右圖：擁有全球性磁場的地球偏離太陽風高能帶電粒子流，保護了地球大氣。（騰訊太空配圖）

太陽風是一股高能帶電粒子流，主要由質子與電子組成，由太陽上層大氣射出，時速可以達到160萬公里/小時。在經過火星上層大氣時，太陽風帶來的磁場會產生電場，並電離火星大氣中的原子形成離子逃逸到太空中去。

“馬文號”最新探測表明太陽風剝離火星大氣層的速度在100克/秒。而在數十億年前，早期太陽活動非常活躍的時候，火星大氣層被太陽風剝離的速度要比現在高很多。在2015年3月發生的數次太陽風暴中，“馬文號”監測到火星大氣丟失速度加快。數十億年間的太陽活動（太陽風和太陽風暴等）是火星大氣層大量丟失，改變火星氣候的重要原因。

相比較火星，地球因為有磁場的保護使太陽風帶來的高能粒子流發生偏轉，保護了地球大氣。雖然早期火星也擁有像地球這樣的全球性磁場，但是火星體積只有地球的15%，比地球小得多，因此火星地核冷卻的比地球快，地質活動趨緩，磁場消失，大氣變薄使液態水無法穩定存在。

此前“馬文號”已經監測到太陽風和紫外線如何剝離火星上層大氣。新的研究結果表明，火星大氣丟失來自三個區域：一個是太陽風經過火星大氣後，在火星後面形成的“離子尾”；另一個是火星兩極大氣粒子逃逸形成的“羽流”；還有在火星周圍擴展開的氣體雲。“馬文號”的科學小組確定火星大氣被剝離的離子75%源自“離子尾”，另外有25%源自南北兩極形成的“羽流”，而擴展的氣體雲丟失大氣較少。

火星遠古時期擁有豐富的液態水，今天火星表面遺留的眾多河谷和只有水參與才能形成的各種礦物質都是當時大量液態水存在的證據。在30億年前，火星的大氣密度要比現在高的多，氣候也温暖的多，當時的火星表面存在河流，湖泊，甚至液態水組成的海洋。

雖然今年9月NASA公佈利用“火星勘測軌道飛行器”得到現在火星表面仍存在季節性出現的鹽水流淌的證據，但是今天的火星大氣實在太單薄太冷，使液態水無法長期或大量的在火星表面存在。

來自美國宇航局戈達德太空飛行中心，“馬文號”項目科學家喬·格列波斯基(Joe Grebowsky)説：“太陽風的不斷剝離是火星喪失大部分大氣的主要機制，這也是造成火星氣候顯著變化的重要原因。馬文號也研究了其他損失過程，比如氫原子或離子逃逸的影響等，但這些只會增加大氣逃逸的重要意義。”（桂林）