美国国家航空航天局的哈勃，MAVEN帮助解开火星水逃逸之谜。图像：美国国家航空航天局、欧洲航天局、STScI、约翰·T·克拉克（波士顿大学）；处理：Joseph DePasquale（STScI）
（神秘的地球）据美国宇航局：火星曾经是一个非常潮湿的星球，其表面地质特征很明显。科学家们知道，在过去的30亿年里，至少有一些水深入地下，但其余的水呢？现在，美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜和MAVEN（火星大气和挥发性演化）任务正在帮助解开这个谜团。
马萨诸塞州波士顿大学空间物理中心的研究负责人约翰·克拉克解释说：“水只能去两个地方。它可以冻结到地下，或者水分子可以分解成原子，原子可以从大气层顶部逃逸到太空。”。“要了解那里有多少水以及发生了什么，我们需要了解原子是如何逃逸到太空的。”
Clarke和他的团队结合了哈勃和MAVEN的数据，测量了逃逸到太空中的氢原子的数量和当前逃逸率。这些信息使他们能够通过时间向后推断逃逸率，以了解这颗红色星球上水的历史。
逃逸氢和“重氢”
火星大气中的水分子被阳光分解成氢原子和氧原子。具体来说，该团队测量了氢和氘，氘是一种原子核中有中子的氢原子。这个中子产生的氘的质量是氢的两倍。因为它的质量更高，氘逃逸到太空中的速度比普通氢慢得多。
随着时间的推移，由于损失的氢比氘多，大气中氘与氢的比例逐渐增加。今天测量这一比例，可以让科学家们了解火星温暖湿润时期有多少水。通过研究这些原子目前是如何逃逸的，他们可以了解决定过去40亿年逃逸率的过程，从而推断出时间。
尽管该研究的大部分数据来自MAVEN航天器，但MAVEN不够敏感，无法在火星年的所有时间都看到氘的排放。与地球不同，在漫长的火星冬季，火星在椭圆轨道上远离太阳，氘的排放变得微弱。克拉克和他的团队需要哈勃的数据来“填补空白”，并完成一个为期三个火星年的年度周期（每个火星年为687个地球日）。哈勃还提供了可追溯到1991年的额外数据——在2014年MAVEN抵达火星之前。
这些任务之间的数据组合提供了氢原子逃逸到太空的第一个整体视图。
这些是2017年12月31日（上图）火星离太阳最远点（远日点）附近和2016年12月19日（近日点）火星最接近太阳点（近日线）附近的远紫外哈勃图像。当火星靠近太阳时，大气层明显更亮，范围更广。来自火星的这些波长的反射阳光显示出大气分子和雾霾的散射，同时极地冰盖和一些表面特征也可见。哈勃和MAVEN表明，火星大气条件变化非常快。当火星靠近太阳时，水分子在大气层中迅速上升，在高空分解并释放原子。图像：美国国家航空航天局、欧洲航天局、STScI、约翰·T·克拉克（波士顿大学）；处理：Joseph DePasquale（STScI）
火星大气的动态和湍流
克拉克解释说：“近年来，科学家们发现火星的年周期比人们10年或15年前预期的要动态得多。整个大气层非常动荡，在短时间内，甚至在几个小时内升温和降温。随着火星上太阳亮度在火星一年内变化40%，大气层会膨胀和收缩。”
研究小组发现，当火星靠近太阳时，氢和氘的逃逸率会迅速变化。在科学家之前的经典图片中，这些原子被认为会缓慢地向上扩散到大气层中，到达可以逃逸的高度。
但这张照片不再准确地反映了整个故事，因为现在科学家们知道大气条件变化非常快。当火星靠近太阳时，作为氢和氘来源的水分子会迅速穿过大气层，在高空释放原子。
第二个发现是，氢和氘的变化如此之快，以至于原子逃逸需要额外的能量来解释它们。在高层大气的温度下，只有一小部分原子有足够的速度逃离火星的引力。当某些东西给原子额外的能量时，会产生更快的（超热）原子。这些事件包括太阳风质子进入大气层或阳光的碰撞，这些碰撞会驱动高层大气中的化学反应。
充当代理
研究火星上水的历史不仅是了解我们太阳系中行星的基础，也是了解其他恒星周围地球大小行星演化的基础。天文学家正在发现越来越多的此类行星，但很难对其进行详细研究。火星、地球和金星都位于或靠近我们太阳系的宜居带，即恒星周围的区域，液态水可以聚集在岩石行星上；然而，这三颗行星目前的状况却截然不同。火星与其姊妹行星一起，可以帮助科学家掌握我们银河系中遥远世界的性质。
这些结果发表在7月26日由美国科学促进会出版的《科学进展》杂志上。
关于任务
哈勃太空望远镜已经运行了三十多年，并继续取得突破性的发现，这些发现塑造了我们对宇宙的基本理解。哈勃是美国国家航空航天局和欧洲航天局（ESA）之间的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心负责管理望远镜和任务操作。位于科罗拉多州丹佛市的洛克希德·马丁航天公司也支持戈达德的任务操作。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）由天文学研究大学协会运营，为美国国家航空航天局进行哈勃科学操作。
MAVEN的首席研究员位于科罗拉多大学博尔德分校的大气与空间物理实验室（LASP）。LASP还负责管理科学运营和公众宣传与沟通。美国国家航空航天局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理MAVEN任务。洛克希德·马丁航天公司建造了该航天器，并负责戈达德的MAVEN任务操作。美国国家航空航天局位于南加州的喷气推进实验室提供导航和深空网络支持。MAVEN团队正准备于2024年9月庆祝该航天器在火星上的第10个年头。
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