Nature Geoscience：早期火星的多期變暖、氧化和地球化學轉變的耦合模式
類地行星的大氣成分和演化主要分原始大氣和次生大氣。原始大氣來自行星形成過程中吸積的宇宙物質，以氫氣（H2）和氦氣（He）為主。早期太陽的太陽風和太陽超紫外輻射都很強，類地行星的原始大氣很快就被太陽風剝蝕逃逸掉了。原始大氣逃逸掉後，類地行星的地質和火山等排氣活動產生了次生大氣。次生大氣的成分主要由行星的排氣過程和逃逸過程決定。不同的類地行星有不同的地質化學和生物等過程，造成了不同的排氣過程，行星不同的質量、離日距離和磁場等因素造成了的不同逃逸過程。最終導致類地行星都經歷了各自不同的大氣演化，並擁有了現在各自不同的大氣層（胡永雲等，2014）。
水星離太陽最近且質量最小，其次生大氣已被太陽風剝蝕殆盡。金星離太陽稍遠，質量較大，其液態水已被蒸發並光解，較輕的H2從太空逃逸，較重的一O2部分由於金星沒有全球性磁場保護也從太空逃逸，剩下一部分與其他物質發生反應。缺少液態水的環境使金星火山排出的CO2無法固化到岩石圈，而是永久積累到大氣層，形成了金星以CO2為主（96%）的極其濃密的大氣層（約90倍地球大氣壓）。CO2的溫室效應使金星地表氣溫達到了467℃。最終造成了金星現在高溫高壓、無法宜居的極端惡劣氣候。地球質量和金星相近，離太陽的距離比金星稍遠，恰當的日地距離和質量，使其地表能存在液態水，並孕育出生命。液態水的存在使地球火山噴出的CO2能以碳酸岩的形式固化到岩石圈，火山噴發的氨氣（NH3）分解成N2和H2。生命的存在吸收CO2併產出了大量O2。最終造成了地球以O2和N2為主、且宜居的大氣層。火星是離太陽最遠的類地行星（日火距離是日地距離的1.5倍），質量也只有地球的10%，其吸附住的大氣稀薄、溫度較低。現在的火星大氣壓不到地球的1%，大氣成分主要是CO2（95%）。不過火星地貌中發現了大量沖積扇、河流和湖泊的痕跡（圖1），這顯示火星大氣過去曾有過溫暖且溼潤的氣候，這種溼潤氣候持續時間可達幾百萬年。火星大氣早期是什麼樣子，為什麼變成現在乾冷的氣候，一直是研究熱點，也是難點。
圖1 火星表面觀測到的沖積扇、河谷網和湖泊（Fassett and Head, 2008）的地貌特徵
在認識火星早期大氣前，先介紹一些地球早期大氣的情況。地球大氣演化是行星中研究最多、最仔細的，其中有兩個研究熱點。一是弱太陽悖論（Faint Young Sun Paradox）：按恆星演化理論，早期太陽輻照度較弱（只有現在的70%左右），那麼那時的地球氣候應該比現在冷很多。但大量地質記錄顯示早期地球比現在還溫暖。對弱太陽悖論的主流解釋是早期地球大氣中存在大量溫室氣體。一般認為地球溫室氣體的成分主要有CO2、CH4和水蒸氣。其中溫室效應比CO2強20多倍的CH4對支撐起0℃以的上氣溫至關重要（Pavlov et al., 2000）。另一個研究熱點是地球大氣的兩次大氧化事件：地質記錄顯示早期地球以還原性氣體為主，後來由於生命大量光合作用產生O2，使大氣氧含量在約20億年前增長到現在的1%，同時甲烷耗盡，使地球氣溫下降形成了大雪球事件。後來在約6億年前，O2含量進一步增加到現在的60%左右，同時大陸風化作用消耗了大量CO2，使地球氣溫再次變冷。
火星大氣演化與地球的有什麼異同嗎？首先，火星大氣也有弱太陽悖論。火星現在的大氣又幹又冷，平均氣溫只有-60℃，按弱太陽理論早期火星大氣應比現在還冷。但火星地質地貌顯示火星在38億年前有大量地表液態水存在（圖1），說明當時火星氣候溫暖溼潤。火星的弱太陽悖論比地球的更難解釋，火星早期的氣溫為什麼可以熱到存在液態水，一直是火星研究的一大謎題（Haberle, 1998）。因為火星的質量比地球小很多，能吸附住的大氣比地球稀薄；而且火星離太陽很遠，氣溫應比地球低很多。火星大氣模型計算出即使火星有更濃密CO2和水蒸氣也很難達到液態水所需的0℃以上氣溫。因此，有人認為火星大氣過去不僅有CO2和水蒸氣，還有一些火山噴發或小行星撞擊等釋放的H2、SO2、H2S、CH、N4 2等溫室效應更強的氣體，才能維持一個長久的溫溼氣候（Ramirez et al., 2014; Ramirez et al., 2018；Halevy et al., 2007）；但也有人認為即使有這些溫室氣體，火星早期氣溫也不可能長久保持0℃以上，他們指出火星早期主要還是乾冷氣候，只是多次發生了間歇性升溫的短暫溫溼氣候，長久的積雪被火山、撞擊等活動臨時融化衝擊出河谷等地貌（Cassanelli et al., 2015; Wordsworth et al.,2013; 2017）。關於火星早期溫溼氣候，也有人認為可能與小行星撞擊、火山噴發、火星軌道變化等相關（Melosh et al., 1989; Halevy et al., 2014; Perronet al., 2007）。由於這個問題太難解決，甚至有人提出火星早期氣溫本來就在0℃以下，而一些河谷等地貌可能是冰川移動造成的（Galofre, et al., 2020），也可能是地下水侵蝕或地下地質活動形成的（Ehlmann et al., 2011）。關於火星過去氣溫在0℃以上是間歇性的還是長期的，河谷網是降雨還是融雪形成的，這些爭論還在進行中（Wordsworth, et al., 2016; Kamadaa et al., 2020；Ramirez et al., 2020）。其次，火星大氣是否發生過大氧化事件。火星隕石觀測顯示火星地幔還原性可能比地球強，因此過去火星大氣可能以還原性氣體為主。後來在諾亞紀和西方紀交接時，出現了氧化性環境，特別是氧化錳礦物的出現顯示當時有液態水和強氧化劑（如O2）。現在的火星地表以氧化性為主，火星又稱紅色星球，就是因為其表面覆蓋了一層紅色的氧化的赤鐵礦塵埃。最近也有地層研究顯示火星早期以還原性氣體為主，後來在幾十億年前經歷了一次火星自己的大氧化事件（Liu et al., 2021）。
圖2 火星觀測與火星大氣演化模型結果（Wordsworth et al., 2021）。火星的地質和主要事件發生的時間（a）；火星大氣演化模型計算得出的火星大氣氧化還原性（b）和火星氣溫（c）；在不同CO2大氣壓下火星地表液態水（氣溫保持在273K以上）的持續時間（d）
Wordsworthet al.（2021）為了能夠同時解釋火星大氣的溫度、氧化還原性和地質地球化學等觀測，建立了一個描述火星大氣演化的耦合模式。該模式包含了由於隕石撞擊、火山和地質活動帶來的還原性溫室氣體的釋放、由於太空逃逸造成的H2和O2的逃逸，以及CO2、水蒸氣和還原性氣體的溫室效應。作者假設還原性氣體的釋放率為冪律分佈。由於分佈函式的平均值和變化率這兩個引數不確定，他們採用了大量隨機性引數的模擬測試，得到了一系列結果後，再排除掉那些不現實的結果。圖2為該模式中一個較符合觀測的模擬結果，由圖可以看出該模式模擬出的結果為：火星大氣總體為還原性、乾冷氣候，在火星早期（諾亞紀和西方紀）發生了多次間歇性的氧化性、溫溼氣候（圖2b、圖2c）。從圖2c可以看出火星氣溫總體上是遠遠低於水溶點0℃（273K）的，但氣溫達到0℃以上單個事件多次發生，每次持續的時間都較短暫。圖2d估算出在不同CO2大氣壓下，氣溫達到0℃以上的具體持續時間可達到幾個百萬年，這與地貌化學觀測結果基本相符，即：用河谷網等地貌規模推測出的河流持續時間在幾萬到幾千萬年，用火星地表碳酸鹽較少等地球化學特徵推測地表液態水持續時間少於幾百萬年。另外該模式模擬出的氣溫和氧化還原過程（H2的逃逸等）也能較好的解釋火星快車的觀測：即火星早期諾亞紀（36億年前）主要為在溼潤還原性環境下產生的黏土礦物，到西方紀（36-32億年）則以硫酸鹽為主。同時該模式的結果也指出由於火星長期乾冷、短期間接性溫溼氣候，對生命長期在火星生存提出了挑戰。
Wordsworthet al.（2021）總體認為火星氣候在乾冷和溫溼之間的多次轉換，與隕石撞擊和火星內部演化有關。這種變換與地球上的冰期、間冰期的轉換有相似之處，只不過在地球上這種轉換主要由地球的軌道變化控制。他們的模式在解釋火星地質地貌和大氣觀測方面取得了很大的成功，但也有一些挑戰，如大範圍撞擊事件發生的時間比火星溫溼氣候要早一些，而且從地質地貌上很難判斷溼潤的諾亞紀是長久溫溼，還是間歇性溫溼（Mangold, 2021）。
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（撰稿：柴立暉/地星室）
校對：覃華清、江淑敏
