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好奇号火星车发现埋藏在岩石中的寒冷的古代火星的线索

通过研究火星上的化学元素(包括碳和氧),科学家们可以追溯过去,拼凑出火星的历史,因为火星曾经拥有维持生命所必需的条件。

从大约1.4亿英里(2.25亿公里)以外的地方,一个元素一个元素地编织这个故事是一个艰苦的过程。但是科学家不是那种容易被吓倒的人。火星上的轨道飞行器和漫游者已经证实火星曾经有液态水,这要归功于一些线索,包括干涸的河床、古老的海岸线和含盐的表面化学物质。利用美国宇航局的“好奇号”探测器,科学家们发现了存在寿命较长的湖泊的证据。他们还挖掘出了有机化合物,或生命的化学组成部分。液态水和有机化合物的结合迫使科学家们继续在火星上寻找过去或现在生命的迹象。

尽管到目前为止已经发现了诱人的证据,但科学家们对火星历史的了解仍在不断发展,有几个主要问题有待讨论。首先,火星古老的大气层是否足够厚以保持地球的温暖和湿润,以维持生命萌芽和孕育所需的时间?有机化合物:它们是生命的迹象,还是火星岩石与水和阳光相互作用产生的化学反应?

在最近一期《自然》杂志的天文学报告中,一组科学家提出了一些有助于解答这些问题的见解。该报告是在“好奇号”内部的化学实验室“火星样品分析”(SAM)中进行的一项历时多年的实验。研究小组发现,盖尔陨石坑岩石中的某些矿物质可能形成于一个冰雪覆盖的湖泊。这些矿物质可能是在夹在温暖期之间的寒冷期形成的,也可能是在火星失去大部分大气层并开始永久变冷之后形成的。

盖尔陨石坑的大小相当于康涅狄格州和罗德岛的总和。它被选为“好奇号”2012年的着陆点,是因为它有过去水的迹象,包括可能有助于捕获和保存古代有机分子的粘土矿物。事实上,在探索位于陨石坑中心的山——夏普山的底部时,“好奇号”发现了一层1000英尺(304米)厚的沉积物,这些沉积物是作为古代湖泊中的泥浆沉积下来的。一些科学家说,要形成如此多的沉积物,需要数百万到数千万年的温暖和潮湿的时间,会有难以置信的大量的水流入这些湖泊。但是陨石坑的一些地质特征也暗示了过去的寒冷和冰冻环境。

”在某种程度上,火星表面环境必须经历一个过渡的温暖和潮湿的寒冷和干燥,因为它是现在,但何时以及如何发生的仍然是一个谜,”希瑟弗朗茨说,美国国家航空航天局地球化学家美国宇航局戈达德太空飞行中心,绿地,马里兰州。

主持SAM研究的弗朗茨指出,火星倾角的变化和火山活动的数量等因素可能导致火星的气候随着时间的推移在温暖和寒冷之间交替变化。火星岩石的化学和矿物学变化支持了这一观点。这些变化表明,有些层是在较冷的环境中形成的,有些是在较温暖的环境中形成的。

弗兰兹说,到目前为止,“好奇号”收集到的大量数据表明,研究小组正在寻找岩石中记录的火星气候变化的证据。

火星气候故事中的碳氧星

弗朗茨的团队在SAM实验室从13个尘埃和岩石样本中提取出二氧化碳和氧气后,发现了寒冷的古代环境存在的证据。好奇号在地球年(地球年vs火星年)的时间里收集了这些样本。

二氧化碳是由一个碳原子和两个氧原子结合而成的分子,碳是火星神秘气候的关键证人。事实上,这种简单但用途广泛的元素在寻找其他地方的生命时就像水一样重要。在地球上,碳在空气、水和地表不断流动,形成一个众所周知的循环,这与生命息息相关。例如,植物以二氧化碳的形式从大气中吸收碳。作为回报,它们产生氧气,在这个过程中,人类和大多数其他生命形式用于呼吸作用,最终通过二氧化碳释放回空气中,或在生命形式死亡和被埋葬时释放到地壳中。

科学家们发现火星上也有碳循环,他们正在努力了解它。至少在过去的30亿年里,火星上的水很少,表面生命丰富,因此它的碳循环与地球大不相同。

这些气体为寒冷时期提供了条件

在“好奇号”将岩石和灰尘样本送入山姆体内后,实验室将每一个样本加热到近1650华氏度(900摄氏度),以释放里面的气体。通过观察释放二氧化碳和氧气的烤箱温度,科学家们可以知道这些气体来自哪种矿物质。这类信息有助于他们了解碳在火星上是如何循环的。

各种各样的研究表明,火星古老的大气,主要含有二氧化碳,可能比今天的地球更厚。其中大部分已经流失到太空中,但有些可能以碳酸盐的形式储存在地球表面的岩石中,碳酸盐是由碳和氧构成的矿物质。在地球上,当空气中的二氧化碳被海洋和其他水体吸收,然后矿化成岩石时,就会产生碳酸盐。科学家们认为,同样的过程也发生在火星上,这可能有助于解释火星大气的变化。

然而,火星探测任务还没有在火星表面找到足够的碳酸盐来维持厚厚的大气层。

尽管如此,萨姆确实探测到的少量碳酸盐,通过储存在其中的碳和氧的同位素,揭示了火星气候的一些有趣之处。同位素是每个元素不同质量的版本。因为不同的化学过程,从岩石的形成到生物活动,以不同的比例使用这些同位素,岩石中重同位素与轻同位素的比例为科学家提供了了解岩石如何形成的线索。

在SAM发现的一些碳酸盐中,科学家们注意到氧同位素比火星大气中的要轻。这表明,这些碳酸盐并不是很久以前从大气中吸收到湖中的二氧化碳形成的。如果有的话,岩石中的氧同位素会比空气中的略重一些。

弗朗茨和她的同事们认为,这些碳酸盐很可能在火星早期形成,当时的大气成分与现在略有不同。他们认为,这些碳酸盐更有可能形成于冰冷的湖泊中。在这种情况下,冰可能吸收了重的氧同位素,留下最轻的同位素形成后来的碳酸盐。“好奇号”的其他科学家也提供了证据,表明盖尔环形山中可能存在冰湖。

那么碳呢?

科学家说,火星上碳酸盐岩的低丰度令人费解。如果盖尔环形山没有很多这样的矿物,也许早期的大气比预期的要稀薄。或者可能是别的什么东西在储存大气中丢失的碳。

根据他们的分析,弗朗茨和她的同事提出,一些碳可以被隔离在其他矿物质中,比如草酸盐,它以不同于碳酸盐的结构储存碳和氧。他们的假设是基于样品中二氧化碳释放的温度——对于碳酸盐来说太低,但是对于草酸盐来说刚刚好——以及与科学家在碳酸盐中观察到的不同的碳氧同位素比率。

碳酸盐分子与草酸盐分子的模型

草酸盐是地球上植物产生的最常见的有机矿物。但是草酸盐也可以在没有生物作用的情况下产生。一种方法是通过大气中的二氧化碳与表面矿物质、水和阳光的相互作用,这一过程被称为非生物光合作用。这种化学物质在地球上很难找到,因为这里有丰富的生命,但弗朗茨的团队希望在实验室中创造非生物光合作用,以确定它是否真的与盖尔陨石坑的碳化学物质有关。

在地球上,非生物的光合作用可能已经在一些最早的微观生命形式中为光合作用铺平了道路,这就是为什么在其他行星上发现它会引起天体生物学家的兴趣。

即使非生物光合作用将大气中的一些碳锁定在盖尔陨石坑的岩石中,弗朗茨和她的同事们仍想研究火星不同地区的土壤和尘埃,以了解盖尔陨石坑的研究结果是否反映了一幅全球图景。他们可能有一天有机会这样做。美国国家航空航天局的“坚忍”号火星探测器将于2020年7月至8月间发射到火星,它计划在杰零陨石坑收集样本,以便可能返回地球上的实验室。

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