探索大气氧化如何造就现代火星

和地球一样，火星大约在 45 亿年前形成，但它早期的表面与今天大不相同。在被称为“晚期重轰炸期”的时期，火星表面的陨石和小行星撞击率曾很高。

然而，如今的火星寒冷、干旱，有两个冰极，其大气层呈氧化性——比如，富含铁的物质会生锈；而早期的火星则具有冰冷的高地、间歇性的温暖以及还原性大气等特征。

气候转变的原因一直不明。如今，一个来自中国的研究团队发现了证据，表明大气氧化致使火星在其早期历史中既寒冷又呈两极化。他们的工作发表在《自然通讯》上。

诺亚纪是火星的早期阶段，小行星撞击率颇高，可能存在大量地表水。确切的时间间隔不确定，但诺亚纪可能在 41 亿至 37 亿年前。随后是 37 亿至 30 亿年前的西方纪。

近年来出现的证据表明，早期火星有一个以二氧化碳（CO2）为主的大气层，还有像氢气这样的还原性气体。在还原性大气中，由于没有氧气及其他氧化性气体，氧化作用受到阻止，像氢气、一氧化碳和甲烷这类还原性气体能够轻易吸收任何氧气，就氢气而言，会变成水的一种形态。

还原型大气会产生强烈的温室效应，这可能在早期火星的升温过程中发挥了重要作用。由于温室升温的强度与还原性气体的存在紧密相连，当时大气的氧化导致了如今所看到的冷却现象。（如今火星上的温室效应仅约为 8°C，而地球上约为 33°C。）

火星奥德赛伽马射线光谱仪是一种测量仪器，位于 2001 年火星奥德赛航天器上，该航天器自 2001 年以来一直在环绕火星运行，返回火星表面顶部 30 厘米地质的相关数据，比如水的位置以及元素的识别情况。

早期研究表明，被确定属于诺亚纪时代的地形中的表面铁丰度，与赫斯珀里亚纪时代（37 亿至 30 亿年前）和亚马逊纪时代（30 亿年至今）的地形以及全球表面平均铁丰度相比，相对较低。

为什么早期火星的铁丰度与过去 30 亿年相比偏低？行星地壳的演化并不能解释这一情况。这可能是由早期火星上的液态水造成的，因为铁的流动性受温度、酸度、水化学和氧化还原态（即决定元素化学行为的氧化态）的影响，液态水可能把一些铁带到了光谱仪 30 厘米深度范围之下。这些因素可能决定了火星表面铁丰度的分布，尤其是如果大气也起作用的话。

香港大学的刘嘉诚（音译）及其同事借助“火星奥德赛”光谱仪的结果，对古代火星表面铁在空间和时间上的分布进行了研究。他们发现，在早期火星的诺亚纪时期，铁的丰度随着海拔的升高而降低，然而在较新的诺亚纪地形中，铁的丰度则随着纬度降低。

为什么会有这种差异？

该小组利用火星的全球地质断层来确定在火星表面布置的网格中的相对表面年龄以及相对铁丰度。这些数据让人更好地理解了氧化还原转变和气候模式转变之间的关系。

“我们的发现表明，在诺亚纪期间，火星的表面温度逐渐从以海拔为主的模式转变为以纬度为主的模式，同时伴随着大气氧化，”他们写道。

该小组的一个建议是，冰冷的风化情况和“低温条件导致了表面铁的消耗，这可能是在还原大气下通过冻融循环的无氧浸出所促成的。”

浸出是一种在提取冶金领域被广泛应用的过程，在这个过程中，纯金属从其天然的矿床（矿石）中被提炼出来。（例如在高炉中冶炼以生产生铁，生铁用于制造钢铁。）

进一步的分析让他们得出这样的看法，尽管水的低 pH 值（低于 3）可以使铁移动，但酸性浸出无法完全解释火星表面广大区域中铁的耗尽情况。从早期诺亚纪到晚期诺亚纪，铁浸出强度的降低表明大气在逐渐氧化；随着火星大气的氧化，其温室效应降低，最终导致了今天看到的寒冷干燥的行星，两极都有冰。

“火星表面和大气的氧化致使火星变冷，冰也从高地迁移到了极地地区，”刘说。他指出，有一些科学家认为 冰缘环境——厚厚的冰层下的火星地下，结合了稳定、长期的液态水和热量——可能适合生命居住。