火星探测器在火星表面观测到了大量河流、湖泊和海洋留下的地质痕迹（图1）。这说明曾经的火星和地球一样，有大量的地表水和温湿的气候（Carr et al, 1987; Lasue et al., 2013）。但现在的火星气候寒冷干燥，失去了所有的地表液态水，只有两极干冰极盖区存在少部分冰和大气中存在少量水蒸气。火星曾经的湖泊海洋为什么会消失，那么多地表水去了哪里，地球会不会有一天也像火星一样失去所有的液态水？这些都是我们需要研究清楚的问题。
图1 火星表面观测到的很可能由流水形成的砾岩，以及河流、湖泊（Fassett and Head, 2008）和海洋（Mouginot et al., 2012）的地质证据
火星地表水有两种可能的去向，一是上天逃逸到太空中去了，二是入地变成了地下水。火星大气和陨石的同位素观测提供了一个研究线索（图2）。火星大气中的重水（氘）含量要比地球的高。这说明火星大气丢失了更多质量较轻的普通水（氕），普通水蒸气比重水水蒸气更容易到达高空，更容易从太空逃逸，从而形成观测到的质量分馏。由此推测，火星上的水有一部分是从太空逃逸的（Owen et al., 1988；Jakosky et al., 2017）。到底逃逸了多少，能否达到一个海洋的水量？要给出定量的结果，需要精细的观测和细致的推算。庆幸的是火星的太空水逃逸过程现在仍在发生。火星大气中还有少量水蒸气，人造卫星也在火星后方观测到逃逸出去的水分解物氧离子(O+)和氢离子(H+)。因此，可以通过观察研究现在火星上的水逃逸过程，搞清火星水逃逸的机制、估算火星过去几十亿年逃逸掉的总水量。
图2 火星陨石、大气和极盖区水中观测到的同位素氘氕比（D/H）变化（红线），推算出火星从40多亿年前到现在的水储量变化（蓝线）（Villanueva et al., 2015）
火星上的水要达到逃逸速度、脱离火星引力，需要从太阳和火星周围的高速太阳风那里获得足够的能量和动量。这需要火星上的水首先以蒸气的形式从地表上行到高层大气才可以。近期，俄罗斯和欧洲的研究人员在Science上发表了一篇火星水蒸气的高度分布随沙尘季节变化的文章（Fedorova et al., 2020）。他们采用的是ExoMars（Exobiology on Mars）微量气体卫星的观测，ExoMars是欧洲航天局主持的一项火星生命探索计划，它的主要目的是寻找火星过去或现在的生命迹象，研究火星的水和地球化学环境变化，以及火星大气中甲烷等微量气体的来源。ExoMars包括2016年发射的微量气体卫星和2020年发射的火星漫游车。其中微量气体卫星上的红外光谱仪，可以观测火星大气主要成分和火星大气中的尘埃和水冰颗粒的吸收谱线，得到火星大气的高度剖面图（图3）。
图3 火星沙尘暴季节的大气特征。掩星观测时间(A)、大气温度(B)、水含量(C)、饱和度(D)、尘埃和水冰粒子(E)的在5-100 km高度分布随火星季节Ls的变化。在Ls=188-250期间火星发生了一次全球性沙尘暴，在Ls=320-335期间火星发生了一次大的局部沙尘暴（Fedorova et al., 2020）
Fedorova等人通过研究2018-2019火星南半球春夏季期间火星大气的特征，发现：
（1）火星在离太阳比较近的轨道时，火星大气中的水蒸气会有效地上升到高高度区（图3C），即使大气中有大量颗粒气溶胶（图3C），火星高层大气仍保持着水气饱和状态（图3D），这种现象显示火星水逃逸可能比之前认为的还要多；
（2）处于春夏季节的南半球要比处于秋冬季节的北半球湿润很多（图3左、图3右）；
（3）在两次大沙尘暴期间（Ls=188-250，Ls=320-335），火星大气都出现了大量水蒸气急速上升到100 km高度的现象（图3.C和E）。
作者们分析认为，尽管火星全球性沙尘暴会影响水气上行，但这种沙尘天气出现频率不规律，总体不会对火星水逃逸量有大的影响。近日轨道的区间和季节的重复性，决定了它们才是控制火星水气上行的有效因素。因此，火星在近日轨道的季节变化，是火星水逃逸总量的一个重要控制因素。
主要参考文献
Carr M H. Water on Mars[J]. Nature, 1987, 326(6108): 30-35.（链接）
Fassett C I, Head III J W. The timing of Martian valley network activity: Constraints from buffered crater counting[J]. Icarus, 2008, 195(1): 61-89.（链接）
Fedorova A A, Montmessin F, Korablev O, et al. Stormy water on Mars: The distribution and saturation of atmospheric water during the dusty season[J]. Science, 2020, 367(6475): 297-300.（链接）
Jakosky B M, Slipski M, Benna M, et al. Mars’ atmospheric history derived from upper-atmosphere measurements of 38Ar/36Ar[J]. Science, 2017, 355(6332): 1408-1410.（链接）
Lasue J, Mangold N, Hauber E, et al. Quantitative assessments of the martian hydrosphere[J]. Space Science Reviews, 2013, 174(1-4): 155-212.（链接）
Mouginot J, Pommerol A, Beck P, et al. Dielectric map of the Martian northern hemisphere and the nature of plain filling materials[J]. Geophysical Research Letters, 2012, 39(2).（链接）
Owen T, Maillard J P, De Bergh C, et al. Deuterium on Mars: The abundance of HDO and the value of D/H[J]. Science, 1988, 240(4860): 1767-1767.（链接）
Villanueva G L, Mumma M J, Novak R E, et al. Strong water isotopic anomalies in the martian atmosphere: Probing current and ancient reservoirs[J]. Science, 2015, 348(6231): 218-221.（链接）
（撰稿：柴立晖/地星室）
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