前沿速报||MAVEN数据显示，火星已经失去了大部分大气！

近期MAVEN团队通过对火星不同高度大气层中氩气同位素含量比的观测，推算出在过去的40亿年中，火星逐渐散失了至少66%的大气，这比过去研究的估算结果要高出很多。由此反推，火星早期的大气层应当同如今的地球差不多厚。这一成果发表于3月31日的Science：Mars’ atmospheric history derived from upper-atmosphere measurements of 38Ar/36Ar (Jakosky et al., 2017)。

（图：MAVEN探测器和火星 https://svs.gsfc.nasa.gov/11037）

我们知道，如今的火星只有一层稀薄的大气，主要成分为二氧化碳。但有证据显示，曾经的火星温暖湿润，有比现在厚得多的大气层(Barabash et al., Science, 2007)。也就是说，火星在漫长的演化历史中，逐渐失去了这些大气。深入了解这一逐渐失去大气的过程不仅对了解火星的历史有重要意义，也对我们了解地球的气候变化很有帮助——这就是NASA的MAVEN探测器（火星大气与挥发物演化任务，Managers for Mars Atmosphere and Volatile Evolution）的主要探测目标。

（图：火星大部分挥发性气体都散逸入太空中，只有少量重新回到岩石圈或者在南北极冠冻结起来（主要是） https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA16463）

高能带电粒子（主要是离子，电子什么的质量太小，溅射作用产生的影响不是一个量级的）在磁场的帮助下继续轰击其他分子并把原子“撞出”大气层（这一过程叫做溅射(sputtering)），导致大气逐渐减少。越轻的原子越容易被溅射出大气层，因此对某种元素的同位素含量比的测量，可以推算大气散失率。也就是说，这项观测通过对、、等多种同位素比都可以做（Webster et al., Science, 2013），但这些气体因为比较活泼，还可能通过其他化学反应而增减。之所以选择Ar的同位素，是因为惰性气体不发生其他化学反应，溅射过程是大气层中氩气减少的唯一途径。

而这些离子，一部分来源于太阳发出的高能光子进入火星高层大气电离气体分子，另一部分来源于太阳风带来的等离子体（plas ma，主要是质子和电子）(McMullin et al., 2002)。哪个更主要？这个目前似乎还有争议。这篇Science认为主要来自太阳风，但文中引用的Energetic Charged-Particle Bombardment of Atmospheres and Surfaces (Jonhson, 2013) 一书认为光子的作用更大。但不管是哪种，都不影响这篇文章的观测和结论。

（图：改编自https://svs.gsfc.nasa.gov/11037， https://www.nasa.gov/press-release/nasa-mission-reveals-speed-of-solar-wind-stripping-martian-atmosphere，和https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a012500/a012557/MAVEN_Argon_Infographic.pdf）

轻的比重的更容易被溅射出火星大气层，因此可以通过对火星不同高度大气层中氩气同位素含量比的观测，推算的散失率。

（图：改编自https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a012500/a012557/MAVEN_Argon_Infographic.pdf，点击查看大图）

本次研究使用的高层大气中Ar同位素比数据来自MAVEN的中性气体和离子质谱仪NGIMS (Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer)，火星表面大气数据来自好奇号火星车的火星采样分析仪SAM (Sample Analysis at Mars)。计算结果显示，在过去的40亿年中，火星上的散失率为66±5%，由此还可以推算其他挥发性气体（如和）的散失率。由于火星早期受到的太阳紫外辐射和太阳风要剧烈得多，可以想见当时的散失率比现在更大，火星早期的大气层应当可以维持足够的温室效应使得液态水稳定存在于火星表面。

Reference

Webster, C. R., Mahaffy, P. R., Flesch, G. J., Niles, P. B., Jones, J. H., Leshin, L. A., ... & Franz, H. (2013). Isotope Ratios of H, C, and O in CO2 and H2O of the Martian Atmosphere. Science, 341(6143), 260-263.

Jakosky, B. M., Slipski, M., Benna, M., Mahaffy, P., Elrod, M., Yelle, R., ... & Alsaeed, N. (2017). Mars’ atmospheric history derived from upper-atmosphere measurements of 38Ar/36Ar. Science, 355(6332), 1408-1410.

Barabash, S., Fedorov, A., Lundin, R., & Sauvaud, J. A. (2007). Martian atmospheric erosion rates. Science, 315(5811), 501-503.

McMullin, D. R., Judge, D. L., Hilchenbach, M. A. R. T. I. N., Ipavich, F. R. E. D., Bochsler, P. E. T. E. R., Wurz, P. E. T. E. R., ... & Newmark, J. S. (2002). In-flight comparisons of solar EUV irradiance measurements provided by the CELIAS/SEM on SOHO. Radiometric Calibration of SOHO, ISSI Sci. Rep. SR, 2, 135-144.

Johnson, R. E. (2013). Energetic charged-particle interactions with atmospheres and surfaces (Vol. 19). Springer Science & Business Media.