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美國宇航局的“鳳凰”號火星登陸器獲得的測量結(jié)果顯示，在火星史上，液態(tài)水曾與火星表面發(fā)生互動。該研究成果發(fā)表在9月10日的《科學(xué)》雜志上，它還說明火星寒冷的環(huán)境下曾存在液態(tài)水，這暗示類似于地球上的黃石公園里的溫泉的熱液系統(tǒng)，在火星史上非常罕見。

“鳳凰”號獲得驚人發(fā)現(xiàn)

這些令人難以置信的研究結(jié)果，是2008年“鳳凰”號對火星大氣的二氧化碳里的碳和氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行研究得到的。同位素是相同元素的異體，擁有不同的中子數(shù)，例如碳-12有6個中子，而罕見的碳-13則有7個中子。確定火星二氧化碳里的同位素比率的空前精確度，更加凸顯了火星表面的水歷史和火山活動史。

這項(xiàng)測量工作是由“鳳凰”號上的先進(jìn)氣體分析儀進(jìn)行的，該儀器是這顆登陸器上的熱力與先進(jìn)氣體分析儀(TEGA)的一部分。熱力與先進(jìn)氣體分析儀是由美國亞利桑那大學(xué)設(shè)計(jì)和建造的。與20世紀(jì)70年代美國宇航局的“海盜”號登陸器上的分光儀(是另外唯一一個把有關(guān)火星同位素組成的數(shù)據(jù)傳回地球的儀器)相比，熱力與先進(jìn)氣體分析儀的分光儀能更精確地對二氧化碳進(jìn)行分析。

亞利桑那大學(xué)月球和行星實(shí)驗(yàn)室行星科學(xué)系教授威廉姆·鮑恩頓說：“我們把熱力與先進(jìn)氣體分析儀當(dāng)作一個犯罪現(xiàn)場調(diào)查員。跟化學(xué)指紋一樣，同位素可以告訴我們，是什么過程生成了我們正在研究的這種物質(zhì)。”鮑恩頓負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)了制造熱力與先進(jìn)氣體分析儀的科研組，也是在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的論文的聯(lián)合作者�；鹦谴髿�95%是二氧化碳。美國宇航局的“火星探測計(jì)劃”已經(jīng)確定會優(yōu)先研究火星二氧化碳里的同位素比，彌補(bǔ)“海盜”號收集的信息和對墜落地球的火星巖石進(jìn)行分析獲得的結(jié)果存在的不足之處。

為了獲得這些測量結(jié)果，“鳳凰”號上的熱力與先進(jìn)氣體分析儀打開一個針尖大小的縫，利用一個真空吸塵器把一股火星大氣吸入到它的內(nèi)部，對同位素進(jìn)行分析。亞利桑那大學(xué)構(gòu)思并負(fù)責(zé)“鳳凰”號任務(wù)的操作工作。2008年該登陸器在火星北極附近降落，這是有史以來第一項(xiàng)由一所大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的火星任務(wù)。

二氧化碳與水發(fā)生反應(yīng)

分析結(jié)果顯示，火星上的二氧化碳的碳和氧同位素比，與地球大氣的二氧化碳類似。這一意想不到的結(jié)果顯示，火星上的地質(zhì)活動比以前認(rèn)為的更多。事實(shí)上這些最新研究結(jié)果表明，火星大氣里的二氧化碳是在距離現(xiàn)在相對較近的時候產(chǎn)生的，它已經(jīng)與火星表面出現(xiàn)的液態(tài)水發(fā)生反應(yīng)。休斯頓美國宇航局約翰遜航天中心的太空學(xué)家和這篇論文的第一作者保羅·奈爾斯說：“大氣里的二氧化碳就像一名化學(xué)間諜。它滲透到火星表面的每一部分，顯示水的出現(xiàn)和它的歷史。”

火星的引力很小，而且沒有磁場，這意味著這顆紅色行星大氣里的二氧化碳將會逃逸到太空里，與碳-13相比，這一過程會更容易喪失較輕的碳-12。盡管更加久遠(yuǎn)的火星大氣里應(yīng)該包含更多碳-13，但事實(shí)并非如此。這說明較近的火山噴發(fā)產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)入了火星大氣里，在相對較近的火星過去，火山活動比較活躍。另一個線索來自組成二氧化碳的第二種元素——氧。氧跟碳一樣，擁有不同的同位素：氧-16和更重的氧-18。

該科研組把“鳳凰”號收集的數(shù)據(jù)與研究火星隕石(在撞擊過程中從火星表面飛入空中，最終落到地球表面的巖石)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。這些巖石包含的碳酸鹽物質(zhì)，只能在有水和二氧化碳的情況下形成。鮑恩頓說：“火山爆發(fā)噴入大氣層的二氧化碳，與在這些巖石里發(fā)現(xiàn)的氧同位素比非常類似。但是這些火山巖石的氧比與火星大氣里的氧比之間存在很大差異。”這說明火星隕石(火山巖)里的二氧化碳已經(jīng)與液態(tài)水產(chǎn)生反應(yīng)，二氧化碳里所含的碳-18更多。

把火星大氣里的同位素與這些隕石里的同位素進(jìn)行對比，證實(shí)了這一重大發(fā)現(xiàn)。例如，一塊這種隕石(顯然是在大約1.7億年前，而非數(shù)十億年前形成的)所含的碳酸鹽里的同位素比例，與“鳳凰”號測量的火星大氣的同位素比很相符。據(jù)奈爾斯說，同位素跡象表明，火星表面曾出現(xiàn)過液態(tài)水，而且數(shù)量足以對現(xiàn)在的火星大氣成分產(chǎn)生影響。這說明水最初出現(xiàn)在滴水成冰的環(huán)境下。

這些研究結(jié)果為證明促使形成碳酸鹽的水環(huán)境在目前寒冷、干旱的火星上仍然存在提供了有力證據(jù)。鮑恩頓說：“這說明碳酸鹽是在水和火星大氣(在相對較近的地質(zhì)環(huán)境下形成的)的影響下生成的。”奈爾斯說：“這一發(fā)現(xiàn)并沒揭示液態(tài)水和火山口形成的特定地點(diǎn)或時期，但是在這些環(huán)境下發(fā)生的地質(zhì)活動，為我們發(fā)現(xiàn)的同位素比提供了最好解釋。”