火星曾经有海洋，但现在已经干涸了，许多人想知道火星上的水是如何流失的。美国亚利桑那大学的研究人员在火星的高层大气中发现了大量水分子，在那里它迅速被破坏。
图注：该图描绘了火星早期的环境（右）（据信其中包含液态水和较厚的大气），而今天的火星却处于寒冷干燥的环境（左）。
谢恩 ·斯通（Shane Stone）是UArizona月球和行星实验室的研究生，并且是《科学》杂志今天发表的一篇新论文的主要作者，他称自己是行星化学家。曾经是一名实验室化学家，他帮助开发了可以更有效地包裹和输送治疗药物的聚合物，现在他研究行星大气的化学。
自2014年以来，他一直从事NASA MAVEN任务，这是火星大气层和挥发分的缩写。自从2014年以来，MAVEN航天器就开始在火星上运行，并一直在记录地球行星邻居的高层大气的组成。
“我们知道数十亿年前，火星表面存在液态水。”斯通说，“一定有更厚的大气层，所以我们知道火星以某种方式失去了大部分大气层。MAVEN试图描画出造成这种损失的过程的特征，其中一部分就是确切地了解火星是如何失去水的。 ”
该研究的合著者包括UArizona行星科学教授兼斯通的研究顾问罗杰·耶尔（Roger Yelle），以及来自NASA Goddard太空飞行中心和马里兰州太空科学与技术研究与探索中心的研究人员。
观察水
随着MAVEN在火星上运行，它每隔4.5 个小时就进入地球大气层。机载NGIMS仪器是中性气体和离子质谱仪的缩写，它已经在离行星表面约160公里的火星上层大气中，测量了称为离子的带电水分子的丰度。根据这些信息，科学家可以推断出大气中存在多少水。
过去使用MAVEN和哈勃太空望远镜进行的观测表明，火星高空大气层的水分流失随季节而变化。与地球相比，火星绕太阳走的路径更为椭圆形，在夏季，火星南半球最接近太阳。
斯通和他的小组发现，当火星离太阳最近时，行星变暖，并且更多的水（以冰的形式存在于地表）从地表运动到高层大气，并在大气中消失。这种情况每火星年一次或大约每地球两年一次。每火星年在火星上发生的区域性沙尘暴和大约每10年发生在地球上的全球性沙尘暴会导致大气进一步加热，水上升运动激增。
斯通说，使这种周期性运动成为可能的过程与从火星逃逸的经典景象相矛盾，表明它是不完整的。根据经典过程，水冰会转化为气体，并在较低的大气层中被太阳的光线破坏。但是，此过程将以缓慢、稳定的方式进行，不受季节或沙尘暴的影响，这与当前的观测结果不符。
“这很重要，因为我们根本不希望在火星的高层大气中看到任何水。”斯通说， “如果将火星与地球进行比较，则由于存在水分滞留现象，地球上的水被限制在地表附近。它只是大气层中的一层，其温度足以冷凝（并阻止）向上传播的水蒸气。”
研究小组认为，水流已经超过了火星的湿气现象，而后者可能太热而无法阻止水蒸气。一旦进入高层大气，水分子就会很快被离子分解（他们计算得出，在四个小时之内），然后这些副产物就会流失到太空中。
斯通说：“与温暖湿润的地球相比，其大气层和水流向太空的丧失是火星处于冷干状态的一个主要原因。来自MAVEN的最新数据揭示了如今仍然存在这种流失的一个过程，”
干燥多尘的世界
当研究小组将研究结果推算到10亿年前时，他们发现这一过程可以解释大约430毫米深的全球海洋的损失。
“如果我们取水并将其均匀地散布在火星的整个表面上，那么由于我们描述的新过程而失去的海洋水深将超过430毫米。”斯通说，“仅由于全球沙尘暴的影响，就会损失170毫米。”
在全球沙尘暴期间，可以将20倍以上的水输送到高层大气。例如，一场持续45天的全球沙尘暴向火星释放的水量与火星在平静的火星年（即687天）中损失的水量相同。
而且，尽管斯通和他的团队无法推断出距今10亿年的时间，但他认为，此过程在此之前可能不一样，因为火星很久以前就具有更强的保湿作用。
“在我们描述的过程开始运行之前，一定已经有大量的大气逃逸到太空。”斯通说， “我们仍然需要确定这个过程以及它何时开始起作用的影响。”
将来，斯通想研究土星卫星泰坦的大气。“泰坦具有有趣的大气，其中有机化学起着重要作用。” 斯通说：“作为一名前合成有机化学家，我渴望研究这些过程。”
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