大约40亿年前，火星和现在的样子大不相同。首先，它的大气层更厚更温暖，液态水流过它的表面。这包括河流、静止的湖泊，甚至是覆盖了北半球大部分地区的深海。这个温暖、潮湿的过去的证据已经以湖床、河谷和河流三角洲的形式在全球各地保存了下来。
一段时间以来，科学家们一直试图回答一个简单的问题:这些水都到哪里去了?它是在火星失去大气层后逃进了太空，还是在某个地方撤退了?根据加州理工学院和美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的最新研究，火星上30%到90%的水都流入了地下。这些发现与普遍接受的理论相矛盾，该理论认为，火星的水在漫长的岁月中流失到太空中。
该研究由Eva Scheller领导，她是加州理工学院的博士生。此外，她还邀请了加州理工学院教授贝瑟尼·埃尔曼(Bethany Ehlmann)，他也是凯克空间研究所(Keck Institute for Space Studies)的副主任;美国国家航空航天局喷气推进实验室高级研究员、加州理工学院教授永毓;加州理工学院研究生丹妮卡·亚当斯;喷气推进实验室研究科学家胡仁宇。
艺术家对火星上流动的水的印象。资料来源:Kevin M. Gill
在过去的二十年里，美国国家航空航天局和其他太空机构已经向这颗红色星球派出了十几个机器人探测器，以描述其地质、气候、表面、大气和演化。在这个过程中，他们了解到火星表面曾经有足够的水覆盖整个星球，形成100到1500米(330到4920英尺)深的海洋，体积相当于半个大西洋。30亿年前，火星表面的水消失了，地貌变成了今天的样子(寒冷而干燥)。考虑到那里曾经有多少水流过，科学家们想知道它怎么会消失得这么彻底。直到最近，科学家们才提出理论，认为大气逃逸是关键，水在大气中被化学分解，然后消失到太空中。
这个过程被称为光解作用，暴露在太阳辐射下，水分子分解成氢和氧。在这一点上，该理论认为，火星的低重力允许它被太阳风从大气中剥离。虽然这种机制肯定发挥了一定作用，但科学家得出结论，它不能解释火星上失去的水的大部分原因。
为了他们的研究，该团队分析了来自火星陨石、漫游者和轨道飞行器任务的数据，以确定氘与氢的比例(D/H)如何随时间变化。他们还分析了火星大气和地壳的组成，这使他们能够对火星上长期存在的水的数量进行限制。
氘(又名。“重水”)是氢的稳定同位素，它的原子核中有一个质子和一个中子，而普通的氢(质子)是由一个质子和一个电子环绕组成的。在已知的宇宙中，这种较重的同位素只占氢元素的很小一部分(约0.02%)，而且很难挣脱行星的引力，逃到太空中。
正因为如此，如果一颗行星的水流失到太空中，就会在大气中以高于正常水平的氘的形式留下一个泄露信息的信号。然而，这与火星大气中所观察到的氘与氘的比例不一致，因此，Scheller和她的同事们提出，大部分水是被火星地壳中的矿物质吸收的。正如埃尔曼在加州理工学院最近的一篇新闻稿中解释的那样:“大气溢出显然是水分流失的原因之一，但过去十年火星任务的发现表明，火星上存在着巨大的古代水化矿物质库，随着时间的推移，这些矿物质的形成肯定会降低水的可用性。”
火星上的杰zero陨石坑是美国宇航局火星2020探测器的着陆点。图片来源:NASA /姓名/ ASU
在地球上，流水风化岩石，形成粘土和含水矿物，水是其矿物结构的一部分。由于地球是构造活动的，水合矿物在地幔和大气之间无休止地循环(通过火山活动)。在火星上也发现了粘土和水合矿物质，这表明那里曾经有水流过。
但由于火星在构造上是不活跃的(在大多数情况下)，它的地表水在早期就被隔离起来，再也没有循环出来。因此，地表的永久干燥保存了过去存在水的特征。与此同时，很大一部分水由于被地表以下水吸收而得以保存。
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这项研究不仅解决了数十亿年前火星上的水是如何消失的问题。对于未来的载人火星任务来说，这也可能是一个好消息，因为火星任务将依赖于当地收集的冰和水。在此之前，合著者Ehlmann, Huh和Yung曾合作追踪火星上碳的历史——因为二氧化碳是火星大气的主要成分。
未来，该团队计划继续分析同位素和矿物组成数据，以确定火星上含氮和含硫矿物的去向。此外，谢勒计划通过模拟火星风化过程的实验室实验和对Jezero陨石坑(毅力号目前正在探索的地方)古地壳的观察，扩大他们对火星水的研究。
艺术家对火星上的“毅力”号漫游者的印象。来源:美国国家航空航天局
席勒和埃尔曼还计划在“毅力”号探测器需要收集岩石和钻孔样本时协助其工作。随后nasa和esa的任务将把它们送回地球，研究人员将能够对它们进行检查。对于谢勒、埃尔曼和他们的同事来说，这将使他们能够验证关于火星气候变化及其驱动因素的理论。
描述他们发现的这项研究最近发表在《科学》杂志上，题为“火星长期干燥是由地壳中海洋规模的水的封存造成的”，并在3月16日的月球和行星科学会议(LPSC)上发表。由于新冠肺炎疫情的限制，今年的会议是虚拟的，于3月15日至19日举行。