研究表明火星早期的厚厚大气层可能被锁在行星的粘土表面中

Josiah02 · 发表于前天 20:18

火星并非一直都是我们今天看到的寒冷沙漠。越来越多的证据表明，数十亿年前，这颗红色星球的表面曾有水流动。如果有水，那一定也有厚厚的大气层来防止水结冰。但大约 35 亿年前，水干涸了，曾经充满二氧化碳的空气急剧变薄，只剩下一缕大气层，至今仍附着在火星上。
火星的大气到底去了哪里？这个问题一直是火星46亿年历史的核心谜团。
对于麻省理工学院的两位地质学家来说，答案可能在于火星的粘土中。在《科学进展》杂志发表的一篇论文中，他们提出，火星大部分缺失的大气层可能被锁在火星粘土覆盖的地壳中。这项研究的主要作者是最近从 EAPS 毕业的 Joshua Murray 博士（24 届）。
研究小组认为，当火星上存在水时，液体可能会渗入某些岩石类型，并引发一系列缓慢的反应，逐渐从大气中吸收二氧化碳并将其转化为甲烷——一种可以在火星粘土表面储存数十亿年的碳形式。
地球的某些地区也发生过类似的过程。研究人员利用他们对地球上岩石和气体相互作用的了解，将其应用于火星上类似过程的发生。他们发现，考虑到估计覆盖火星表面的粘土量，火星的粘土可以容纳高达 1.7 巴的二氧化碳，这相当于火星最初早期大气的 80% 左右。
研究人员提出，这些被封存的火星碳有朝一日可能会被回收并转化为推进剂，为未来火星和地球之间的任务提供燃料。
“根据我们在地球上的研究结果，我们发现火星上可能也发生过类似的过程，大量的大气二氧化碳可能已经转化为甲烷并被封存在粘土中，”研究作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系 (EAPS) 地质学教授 Oliver Jagoutz 表示。“这些甲烷可能仍然存在，甚至可能在未来被用作火星的能源。”
在褶皱里
麻省理工学院的 Jagoutz 研究小组试图确定推动地球岩石圈演化的地质过程和相互作用。岩石圈是坚硬而脆的外层，包括地壳和上地幔，板块位于此处。
2023 年，他和 Murray 专注于一种名为蒙脱石的表面粘土矿物，这种矿物被认为是一种高效的碳捕获剂。一粒蒙脱石内有无数的褶皱，碳可以在其中不受干扰地存在数十亿年。他们表明，地球上的蒙脱石很可能是地质构造活动的产物，一旦暴露在地表上，粘土矿物就会吸收并储存大气中的二氧化碳，足以在数百万年内冷却地球。
在该团队报告研究结果后不久，贾古兹偶然看到了火星表面的地图，并意识到火星的大部分表面都覆盖着相同的蒙脱石粘土。这些粘土是否对火星有类似的碳捕获作用？如果是，粘土能容纳多少碳？
“我们知道这个过程会发生，而且在地球上也有充分的记录。而这些岩石和粘土在火星上也存在，”贾古兹说。“所以，我们想尝试把这些点联系起来。”
“每个角落”
与地球上的蒙脱石不同，蒙脱石是大陆板块移动和抬升将岩石从地幔带到地表的结果，而火星上没有这样的构造活动。根据科学家对火星历史和成分的了解，该团队寻找了粘土在火星上形成的方式。
例如，对火星表面的一些远程测量表明，火星地壳至少有一部分含有超镁铁质火成岩，类似于地球上通过风化产生蒙脱石的岩层。其他观测揭示了与陆地河流和支流类似的地质形态，水可能在那里流动并与底层岩石发生反应。
贾古兹和默里想知道水是否能与火星深层的超镁铁质岩石发生反应，从而形成如今覆盖火星表面的粘土。他们根据已知的火成岩与地球环境的相互作用，建立了一个简单的岩石化学模型。
他们将这一模型应用到火星上，科学家认为火星地壳主要由富含橄榄石矿物的火成岩组成。研究小组利用该模型估算了富含橄榄石的岩石可能经历的变化，假设水在火星表面存在至少 10 亿年，大气中充满二氧化碳。
“我们认为，在火星历史上的这个时期，二氧化碳无处不在，在每个角落和缝隙中，渗透过岩石的水也充满了二氧化碳， ”默里说。
大约十亿年的时间里，渗入地壳的水会慢慢地与橄榄石发生反应，橄榄石是一种富含还原铁的矿物。水中的氧分子会与铁结合，从而释放出氢，形成红色的氧化铁，使这颗行星呈现出标志性的颜色。
然后，这些游离氢会与水中的二氧化碳结合，形成甲烷。随着反应的进行，橄榄石会慢慢转变为另一种富含铁的岩石，即蛇纹石，然后蛇纹石继续与水反应形成蒙脱石。
“这些蒙脱石粘土具有如此大的碳储存能力，”默里说。“因此，我们利用这些矿物在地球粘土中储存的现有知识，推断说，如果火星表面有这么多粘土，这些粘土中可以储存多少甲烷？”
他和贾古兹发现，如果火星被一层深达 1100 米的蒙脱石层覆盖，那么这种数量的粘土可以储存大量的甲烷，相当于火星干涸后人们认为已经消失的大气中大部分二氧化碳。
“我们发现，火星上粘土总量的估计值与火星上很大一部分初始二氧化碳被封存在富含粘土的地壳中作为有机化合物相一致，”Murray 说道。“从某种意义上说，火星上缺失的大气层可能就藏在显而易见的地方。”

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