火星上水的去向之谜，答案呼之欲出

火星是一个充满神秘的地方。它曾经是或者现在是生命的家园吗？为何它失去了磁场，致使太阳风刮走了其曾经丰富的大气层？接下来还有火星消失之水的谜团。干涸的河床、三角洲和海洋盆地都证明，这颗红色星球曾经到处都是水——直到 30 亿年前，它开始变成今天的沙漠世界。对于所有的水去了哪里，有两种主要的理论：要么退入地下，要么升华到太空中。现在，两篇论文——一篇于 8 月发表，另一篇于 9 月 5 日发表——表明答案是两者皆有。

发表在《美国国家科学院院刊》上的第一项研究，依赖于“洞察”号火星探测器的数据，该探测器于 2018 年在火星着陆，并一直运行到 2022 年。“洞察”号配备了一个地震仪，在探测器运行的四年里测量了多次火星地震。通过振动的频率确定，能量正在通过一个潮湿的地下层移动，这个地下层所含的水足以在整个火星上形成一个约一英里深的海洋。所以这案子就结了，对吧？没那么简单！

发表在《科学进展》上的新研究，依赖于美国国家航空航天局另外两艘著名航天器的数据——自 1990 年以来一直在地球轨道上工作的哈勃太空望远镜，以及自 2014 年以来一直在环绕火星的“火星大气与挥发演化”探测器。这两艘航天器一起收集了关于火星大气层的数据，“火星大气与挥发演化”探测器的数据可以追溯到十年前，哈勃太空望远镜的数据可以追溯到 33 年前。它们都在观察氢向太空的逃逸——特别是两种类型的氢：原子核中只有一个质子的普通氢，以及更重的氢，称为氘，其原子核中有一个质子和一个中子。这两种类型的原子在火星和地球上都存在，并且都能与单个氧原子和两个氢原子结合在水分子中。

在火星大气层中，水分子在来自太阳的紫外线能量作用下分解为其组成原子。虽然大多数重氧原子仍留在该行星的大气层中，但氢的情况并非如此。普通氢和氘的重量都比较轻，都容易溅射到太空中，但程度并不相同：由于氘的原子核中多了一个粒子，它更难挣脱火星引力的束缚；轻氢则直接流走。这项新研究由波士顿大学空间物理中心天文学荣誉退休教授约翰·克拉克领导，利用了 MAVEN 和哈勃的观测结果来追踪这两种氢原子的逃逸情况。这使得作者能够估算火星曾经的水覆盖程度，以及因流失到太空而损失的水量。

但这项工作不只是把这些数据外推到火星干涸所历经的三十亿年。那是因为火星的轨道是不规则的。

地球围绕太阳运行的轨道呈略微不匀的圆形，平均距离为 9300 万英里。火星的轨道则要椭圆得多得多——远日点，也就是离太阳最远的那个点，为 1.55 亿英里，近日点，即离太阳最近的距离，为 1.28 亿英里。这极大地改变了全年大气中的水含量，进而也改变了能够逃逸的游离氢的量。

在远日点，火星天空里的水含量还不到百万分之一，而在近日点则超过百万分之五十。根据哈勃和 MAVEN 的数据，这就意味着在最接近太阳的那个时候，水和氢的损失量是其他时候的 5 到 20 倍。

“近年来，科学家们发现，火星的年周期比人们预期的要活跃得多得多，”克拉克在伴随该研究发布的一份声明中说道。“整个大气层非常不稳定，在短时间内升温又降温，甚至短到数小时。随着火星上太阳亮度在一个火星年中变化 40%，大气层会膨胀和收缩。”

这会带来后果。火星和地球其水中氘与氢的比例最初是相同的，但在火星逐渐干涸的漫长岁月里，较轻氢向太空更大的损失改变了这一比例。现代火星中氘相对于轻氢的比例高达地球的八倍之多——地球保留了其厚厚的大气层，从而也保留了其所有的水。

通过分析这些数字，克拉克和他的合著者估计，在火星上曾经平均可能存在的一英里深的水层当中，可能有数十米到数百米的水逃逸到了太空。这仍然使得大部分流失的水被困在地下或者被封存在极地冰盖中，但也有大量的水就这样飘走了。

“水只有两个去处，”克拉克说。“它可以冻结在地下，或者水分子可以分解成原子，而原子可以从大气层顶部逃逸到太空。要弄清楚曾经有多少水以及这些水都遭遇了什么，我们需要了解原子是如何逃逸到太空的。”

致信 杰弗里·克鲁格，邮箱是 jeffrey.kluger@time.com.