火星損失的大氣去哪兒了？最新發現是，可能就“藏”在火星上

出品：科普中國

作者：地星引力

監製：中國科普博覽

編者按：爲拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領域突破極限的探索成果。讓我們一起走進科學發現之旅，認識令人驚歎的世界。

在我們目前的認知中，火星是一顆赤紅色的荒涼星球。

但是，隨着最近這些年我們對火星的研究越來越深入，科學家們意識到，火星曾經也是一個富含液態水的星球。而且，液態水的含量還極其龐大，不僅在火星表面形成了規模巨大的河流，而且甚至還曾造就了一個巨大的海洋。**關於這些液態水的證據，我們普通人通過火星探測器發回的照片就能直觀地看到。

火星上的河流遺蹟

（圖片來源：NASA）

火星上的河流三角洲

（圖片來源：NASA）

發現火星曾富含液態水，意味着什麼？

既然液態水能存在於火星地表，也就說明，當時火星上的溫度一定相對溫暖，否則液態水早就被凍成了冰殼！更進一步推理，爲了讓火星表面溫度適宜，火星的大氣層也一定與現代的地球類似，稠密且保暖。

通過科學觀測，地質學家們推測，在當時火星上的二氧化碳濃度在0.25-4巴之間（bar，1巴近似等於一個大氣壓，也就是我們地表的正常大氣壓）。而目前，火星上的二氧化碳濃度僅爲0.054巴。這說明，火星曾經經歷了極爲巨大的氣體損失。

火星上的稀薄大氣層

（圖片來源：NASA）

火星上的巨量氣體去哪了？

科學家們認爲，火星上二氧化碳的減少發生在大約35億年前，這也是火星上的水開始快速消失的時間節點。

但是爲什麼火星上的二氧化碳會消失？

之前有理論認爲，可能是太陽風不斷剝離火星上的大氣導致的。但根據最近的研究，科學家們利用2007年-2017年之間對火星大氣逃逸數據的監測結果進行了計算，發現太陽風在最近的40億年以來，最多隻能帶走9毫巴的大氣——這比火星上的實際大氣損失低了兩個數量級。

因此，火星上二氧化碳的消失依然是一個謎。

近期，麻省理工學院的兩位地質學家提出了一個可能的答案：火星失蹤的二氧化碳或許被鎖在了火星表面的黏土層中。

火星上的液態水演化史，圖中的數字如4.0，3.8等代表40億年，38億年等

（圖片來源：NASA）

鎖住二氧化碳生成甲烷，地球上也有類似發現

這句話聽起來很反常識，不過地質學家們其實在地球上也發現了類似的過程：二氧化碳會與某些岩石發生化學反應，形成甲烷。

雖然在大家的常識中，甲烷與生物過程有密切關係，要麼直接在生物體內形成，要麼是生物死亡以後，其有機質被掩埋，然後在無氧環境下因微生物消化而產生。因此，後一個因素形成的甲烷往往是天然氣的主要成分。

2017年全球甲烷產生源頭和減少因素，左側爲源頭，右側爲減少因素

（圖片來源：Wikipedia）

但是，除了以上成因的甲烷之外，地質學家們很早之前就在南非、加拿大以及芬蘭的前寒武紀非沉積地層中發現過大量甲烷。

之所以要強調非沉積地層，是因爲我們目前發現的石油、天然氣等化石燃料都是由於生物死亡後沉積在湖海底，沉積物形成的岩石也因此被稱爲沉積岩。而非沉積地層則是指因爲岩漿作用，或岩漿岩經過變質作用（也就是高溫高壓而導致的岩石變化過程）而形成的地層，顯而易見，在這些地層中，基本上不會有生物存在。

而之所以強調前寒武紀，其實是因爲在比寒武紀（約5.4億年）還要古老的時代中，地球上的生物還比較稀少，且主要是個頭微小的藻類和細菌。

因此，在前寒武紀非沉積地層中發現的大量甲烷就很明顯不會與生物成因相關。

與生物無關，那這些甲烷是如何形成的？

爲了搞清楚這些甲烷是如何形成的，地質學家們進行了長期的研究。結果發現，被發現有大量甲烷存在的岩層，基本上都屬於超鎂鐵質岩層。所謂的超鎂鐵質，指的是岩石中含有大量的鎂和鐵成分（橄欖石就是其中最典型的礦物之一），形成這些岩石的岩漿都來自地幔處。

在岩層形成後，它們會因爲板塊運動，抵達大洋中脊、俯衝帶等區域，這些區域富含大量水分，同時溫度也不是特別高（0~600℃），岩石就會發生變質作用。它們會通過一系列化學反應形成蛇紋石，這被稱爲蛇紋石化。在這個過程中，岩石中含有的鐵化合物就會和水反應形成氫氣。

橄欖石不僅是一種寶石，也是組成超鎂鐵質巖的重要礦物之一，它的綠色就來自其內部含有的鐵元素

（圖片來源：Wikipedia）

形成氫氣的可能反應之一

一旦氫氣形成，它們就能通過薩巴捷反應（Sabatier reaction）形成甲烷。薩巴捷反應是由法國化學家保羅·薩巴捷等人於1897年發現的，它是在300-400℃的溫度，以及高壓之下，通過鎳觸媒，氫氣和二氧化碳就會發生反應生成甲烷和水，如果加入催化劑如氧化鋁等，反應速度還會大大加快。基於這種分析，一些地質學家認爲地下深處因此形成的甲烷數量不亞於生物成因形成的甲烷。

薩巴捷反應的化學方程式

科學家探測推斷：火星黏土也扮演了相同角色

而通過火星探測，科學家們發現在火星上也同樣存在大量富含橄欖石的岩石，如果這些岩石經歷蛇紋石化過程，它們就會吸收大量水分和二氧化碳。經過計算，如果火星地表2公里深度內的岩石都經過蛇紋石化，那麼這將會讓火星大氣中的二氧化碳減少約5巴，同時生成大量甲烷。

而這些甲烷中的很大一部分則可以在形成後被火星上大量存在的黏土吸收。黏土在地球上種類多樣，包含非常多的礦物。比如我們非常熟悉的高嶺石就是一種黏土礦物，此外還有蒙脫石，綠泥石，地開石，珍珠石，皁石等。而根據研究，在火星上的黏土礦物中，62%是蒙脫石，23%爲綠泥石。

蒙脫石的電子掃描顯微鏡照片，可以看到其爲片狀礦物

（圖片來源：Wikipedia）

蒙脫石的原子結構，在原子之間的大量空隙就是其吸附力的來源

（圖片來源：Wikipedia）

蒙脫石是由岩漿岩中富含二氧化硅的礦物風化而成，是一種片狀的，具有非常多孔洞的礦物，我們可以將其想象爲礦物中的海綿。而且經過研究，蒙脫石的吸附性非常好，其最大可吸附的甲烷量大約爲其重量的0.6%，遠超其他的黏土礦物，如伊利石或綠泥石。

不過由於目前我們對火星的探測有限，科學家並不知道黏土層的厚度，只能進行估計並計算。他們認爲火星上蒙脫石的平均等效厚度的比較合理範圍爲117-1440米。若取蒙脫石厚度的下限117米，這些蒙脫石可以吸附0.07巴的二氧化碳，而若是取上限1440米，則其可以吸附1.7巴的二氧化碳。

火星上形成甲烷以及甲烷被黏土吸附的模型

（圖片來源：參考文獻1）

而根據更進一步的碳同位素和氫同位素的研究，科學家們推斷火星上的原始大氣中可能有大約0.4~1.5巴的二氧化碳被吸收到了黏土礦物中。

未來，有望在火星就地開採利用甲烷

這個研究實際上對我們未來的火星探測與開發具有非常重要的意義，因爲這一方面意味着我們很有可能直接能從火星上開採出化石燃料（甲烷）使用，而不必從遙遠的地球運輸過來。更進一步，如果我們考慮到前幾年中國科學家利用二氧化碳合成澱粉的新聞，那麼我們未來甚至可以直接以甲烷作爲能源，抽取火星大氣上的稀薄二氧化碳在火星製作食物。

此外，甲烷還是一種溫室效應極強的溫室氣體，在20年週期內，甲烷的全球變暖潛勢（GWP）是二氧化碳的83倍，也就是說，在20年內，一噸甲烷帶來的全球變暖效果相當於83噸二氧化碳。甲烷的這個能力在地球上自然是極爲危險的，但在火星上卻能極大幫助我們加快火星的地球化改造進度。

參考文獻：

1.Murray J, Jagoutz O. Olivine alteration and the loss of Mars’ early atmospheric carbon[J]. Science Advances, 2024, 10(39): eadm8443.