火星损失的大气去哪儿了？最新发现是，可能就“藏”在火星上
出品：科普中国
作者：地星引力
监制：中国科普博览
编者按：为拓展认知边界，科普中国前沿科技项目推出“未知之境”系列文章，纵览深空、深地、深海等领域突破极限的探索成果。让我们一起走进科学发现之旅，认识令人惊叹的世界。
在我们目前的认知中，火星是一颗赤红色的荒凉星球。
但是，随着最近这些年我们对火星的研究越来越深入，科学家们意识到，火星曾经也是一个富含液态水的星球。而且，液态水的含量还极其庞大，不仅在火星表面形成了规模巨大的河流，而且甚至还曾造就了一个巨大的海洋。**关于这些液态水的证据，我们普通人通过火星探测器发回的照片就能直观地看到。
火星上的河流遗迹
（图片来源：NASA）
火星上的河流三角洲
（图片来源：NASA）
发现火星曾富含液态水，意味着什么？
既然液态水能存在于火星地表，也就说明，当时火星上的温度一定相对温暖，否则液态水早就被冻成了冰壳！更进一步推理，为了让火星表面温度适宜，火星的大气层也一定与现代的地球类似，稠密且保暖。
通过科学观测，地质学家们推测，在当时火星上的二氧化碳浓度在0.25-4巴之间（bar，1巴近似等于一个大气压，也就是我们地表的正常大气压）。而目前，火星上的二氧化碳浓度仅为0.054巴。这说明，火星曾经经历了极为巨大的气体损失。
火星上的稀薄大气层
（图片来源：NASA）
火星上的巨量气体去哪了？
科学家们认为，火星上二氧化碳的减少发生在大约35亿年前，这也是火星上的水开始快速消失的时间节点。
但是为什么火星上的二氧化碳会消失？
之前有理论认为，可能是太阳风不断剥离火星上的大气导致的。但根据最近的研究，科学家们利用2007年-2017年之间对火星大气逃逸数据的监测结果进行了计算，发现太阳风在最近的40亿年以来，最多只能带走9毫巴的大气——这比火星上的实际大气损失低了两个数量级。
因此，火星上二氧化碳的消失依然是一个谜。
近期，麻省理工学院的两位地质学家提出了一个可能的答案：火星失踪的二氧化碳或许被锁在了火星表面的黏土层中。
火星上的液态水演化史，图中的数字如4.0，3.8等代表40亿年，38亿年等
（图片来源：NASA）
锁住二氧化碳生成甲烷，地球上也有类似发现
这句话听起来很反常识，不过地质学家们其实在地球上也发现了类似的过程：二氧化碳会与某些岩石发生化学反应，形成甲烷。
虽然在大家的常识中，甲烷与生物过程有密切关系，要么直接在生物体内形成，要么是生物死亡以后，其有机质被掩埋，然后在无氧环境下因微生物消化而产生。因此，后一个因素形成的甲烷往往是天然气的主要成分。
2017年全球甲烷产生源头和减少因素，左侧为源头，右侧为减少因素
（图片来源：Wikipedia）
但是，除了以上成因的甲烷之外，地质学家们很早之前就在南非、加拿大以及芬兰的前寒武纪非沉积地层中发现过大量甲烷。
之所以要强调非沉积地层，是因为我们目前发现的石油、天然气等化石燃料都是由于生物死亡后沉积在湖海底，沉积物形成的岩石也因此被称为沉积岩。而非沉积地层则是指因为岩浆作用，或岩浆岩经过变质作用（也就是高温高压而导致的岩石变化过程）而形成的地层，显而易见，在这些地层中，基本上不会有生物存在。
而之所以强调前寒武纪，其实是因为在比寒武纪（约5.4亿年）还要古老的时代中，地球上的生物还比较稀少，且主要是个头微小的藻类和细菌。
因此，在前寒武纪非沉积地层中发现的大量甲烷就很明显不会与生物成因相关。
与生物无关，那这些甲烷是如何形成的？
为了搞清楚这些甲烷是如何形成的，地质学家们进行了长期的研究。结果发现，被发现有大量甲烷存在的岩层，基本上都属于超镁铁质岩层。所谓的超镁铁质，指的是岩石中含有大量的镁和铁成分（橄榄石就是其中最典型的矿物之一），形成这些岩石的岩浆都来自地幔处。
在岩层形成后，它们会因为板块运动，抵达大洋中脊、俯冲带等区域，这些区域富含大量水分，同时温度也不是特别高（0~600℃），岩石就会发生变质作用。它们会通过一系列化学反应形成蛇纹石，这被称为蛇纹石化。在这个过程中，岩石中含有的铁化合物就会和水反应形成氢气。
橄榄石不仅是一种宝石，也是组成超镁铁质岩的重要矿物之一，它的绿色就来自其内部含有的铁元素
（图片来源：Wikipedia）
形成氢气的可能反应之一
一旦氢气形成，它们就能通过萨巴捷反应（Sabatier reaction）形成甲烷。萨巴捷反应是由法国化学家保罗·萨巴捷等人于1897年发现的，它是在300-400℃的温度，以及高压之下，通过镍触媒，氢气和二氧化碳就会发生反应生成甲烷和水，如果加入催化剂如氧化铝等，反应速度还会大大加快。基于这种分析，一些地质学家认为地下深处因此形成的甲烷数量不亚于生物成因形成的甲烷。
萨巴捷反应的化学方程式
科学家探测推断：火星黏土也扮演了相同角色
而通过火星探测，科学家们发现在火星上也同样存在大量富含橄榄石的岩石，如果这些岩石经历蛇纹石化过程，它们就会吸收大量水分和二氧化碳。经过计算，如果火星地表2公里深度内的岩石都经过蛇纹石化，那么这将会让火星大气中的二氧化碳减少约5巴，同时生成大量甲烷。
而这些甲烷中的很大一部分则可以在形成后被火星上大量存在的黏土吸收。黏土在地球上种类多样，包含非常多的矿物。比如我们非常熟悉的高岭石就是一种黏土矿物，此外还有蒙脱石，绿泥石，地开石，珍珠石，皂石等。而根据研究，在火星上的黏土矿物中，62%是蒙脱石，23%为绿泥石。
蒙脱石的电子扫描显微镜照片，可以看到其为片状矿物
（图片来源：Wikipedia）
蒙脱石的原子结构，在原子之间的大量空隙就是其吸附力的来源
（图片来源：Wikipedia）
蒙脱石是由岩浆岩中富含二氧化硅的矿物风化而成，是一种片状的，具有非常多孔洞的矿物，我们可以将其想象为矿物中的海绵。而且经过研究，蒙脱石的吸附性非常好，其最大可吸附的甲烷量大约为其重量的0.6%，远超其他的黏土矿物，如伊利石或绿泥石。
不过由于目前我们对火星的探测有限，科学家并不知道黏土层的厚度，只能进行估计并计算。他们认为火星上蒙脱石的平均等效厚度的比较合理范围为117-1440米。若取蒙脱石厚度的下限117米，这些蒙脱石可以吸附0.07巴的二氧化碳，而若是取上限1440米，则其可以吸附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
（图片来源：参考文献1）
而根据更进一步的碳同位素和氢同位素的研究，科学家们推断火星上的原始大气中可能有大约0.4~1.5巴的二氧化碳被吸收到了黏土矿物中。
未来，有望在火星就地开采利用甲烷
这个研究实际上对我们未来的火星探测与开发具有非常重要的意义，因为这一方面意味着我们很有可能直接能从火星上开采出化石燃料（甲烷）使用，而不必从遥远的地球运输过来。更进一步，如果我们考虑到前几年中国科学家利用二氧化碳合成淀粉的新闻，那么我们未来甚至可以直接以甲烷作为能源，抽取火星大气上的稀薄二氧化碳在火星制作食物。
此外，甲烷还是一种温室效应极强的温室气体，在20年周期内，甲烷的全球变暖潜势（GWP）是二氧化碳的83倍，也就是说，在20年内，一吨甲烷带来的全球变暖效果相当于83吨二氧化碳。甲烷的这个能力在地球上自然是极为危险的，但在火星上却能极大帮助我们加快火星的地球化改造进度。
参考文献：
1.Murray J, Jagoutz O. Olivine alteration and the loss of Mars’ early atmospheric carbon[J]. Science Advances, 2024, 10(39): eadm8443.