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

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。”