火星上的水去了哪裡？

2021年5月15日7時18分，天問一號成功登陸火星烏托邦平原南部預選區。火星作為類地行星和太陽系八大行星之一，早已受到人類所關注，其中一個重要原因便是火星上有水的存在。

火星上現今的水主要以極地冰蓋或者地下冰的固態形式存在。另一方面，大量地質學證據顯示，火星上曾有大規模的液態水。對比火星古今的水體規模可以看出火星早期表面曾經流淌的水消失了。其原因通常認為火星液態水消失是水向外太空逃逸所致，然而依據現今火星大氣的觀測結果和三十億年前火星沉積物的觀測結果，通過同位素分餾模型計算大氣逃逸僅能減少一部份的水。

加州理工大學的謝勒 （Scheller）博士等通過建立一個全新的氫同位素分餾模型，對火星水的去向提供了一個新的解釋。該模型建立一個水的交換儲庫，其中包含大氣水、液態水、極地冰和地下冰，其水的來源為火山噴發，而水的去向則包括大氣逃逸和地殼礦物水合作用。該模型以火星現今水體含量為邊界條件，通過計算氫同位素分餾，獲得火星不同地質歷史時期（諾亞紀 Noachian，40億至37億年；赫斯珀利亞紀 Hesperian，37億至30億年；亞馬遜紀Amazonian，30億年至今）的水體通量。同時基於火星表面岩石樣品高溫實驗獲得的氫同位素數據對模型進行標定，以提高模型的準確性。

模型計算結果表明，火星水體的氘/氫去向主要受水岩作用和大氣逃逸控制，其相對比例從3：8到99：1不等，也就是說高達30%至99%的水以可以以水岩作用的形式消失。這一結果可以很好的解釋火星水體的氘/氫去向，並與地質學證據相吻合。

基於上述模型結果，謝勒博士等認為火星不斷乾旱化正是由於地殼化學風化作用所致，這一過程顯示火星廣泛分佈的諾亞紀時期的含水礦物所記錄。事實上，地球上也在發生類似的礦物水合過程，但不同的是，地球的板塊構造事件可以以火山噴發等形式將礦物結晶水釋放出來，重新參與水循環。因此地球水循環可以在地質年代的時間尺度上實現再循環，而火星水循環則難以實現。這一不可逆轉的化學風化過程控制著水循環的地質年代尺度，從而對於塑造火星作為類地行星的宜居性發揮了關鍵作用。

此外，模型還可以進一步預測火星冰體的氘/氫同位素值，從而將它與氣候變化結合起來。在暖期，發生礦物水合作用和大氣逃逸的水通量會增加，快速提高冰體的氘/氫值；在嚴寒期，氘/氫值可能緩慢下降或上升，取決於火山去氣和大氣逃逸的水量平衡。

【圖、文：節錄自中國科學院地質與地球物理研究所網頁；新聞資訊由林景明提供】

氘/氫比是天然水和其它流體中的氘（重氫）與氫之間的比率，以及與含水礦物質結合的水中的比率。 這個比率產生關於流體的起源和地質歷史以及關於流體/岩石相互作用的資料。