盖尔陨石坑的碳酸盐矿物解密古时火星气候
盖尔陨石坑的碳酸盐矿物解密古时火星气候
火星盖尔陨石坑的碳酸盐矿物研究揭示了火星古气候的重要线索。新的研究表明，这些碳酸盐矿物的碳、氧同位素特征表明火星曾经历过极端的蒸发过程，这为理解火星的宜居性提供了新的视角。
周一 · 知古通今 | 周二 · 牧夫专栏
周三 · 风月同天 | 周四 · 观测指南
周五 · 深空探测 | 周六 · 茶余星话 ** | 周日 · 太空探索**
因为碳酸盐矿物是碳循环和水循环不可或缺的一部分，并且碳和水又都与宜居性有关，所以碳酸盐矿物在古环境研究领域有重要意义。新的研究中，行星科学家着重关注美国航空航天局的“好奇号”探测器在火星盖尔陨石坑内探测到的碳酸盐矿物的碳、氧同位素测算工作。
艺术家构想的早期火星：表面存在液态水（蓝色区域）。
图片来源：NASA / MAVEN / 月球与行星研究所
同位素是具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素。随着水的蒸发，质量较轻的碳、氧同位素很有可能逸出到大气中，而质量较重的碳、氧同位素一般会沉淀下来，逐渐积累，最终整合到碳酸盐岩石中。
科学家们对碳酸盐感兴趣，是因为碳酸盐可用作气候记录证明。这些矿物质可以保留它们形成时环境的特征，包括水的温度、酸度，以及水和大气的成分。
“这些碳酸盐的同位素表明存在大量蒸发的情况，也就是说这些碳酸盐可能是在只能支持短暂的液态水存在的气候中形成的”，美国航空航天局戈达德太空飞行中心的研究员大卫·伯特博士说。
“我们的样本数据与火星表面有生命（生物圈）存在的古环境数据并不一致，尽管这并不排除地下生物圈或地表生物圈在这些碳酸盐形成之前就已经开始和结束的可能性。” 针对在盖尔陨石坑发现的碳酸盐矿物，Burtt博士和同事提出了两种形成机制。
第一种情况：碳酸盐是在陨石坑内的一系列干湿循环作用下形成的。
第二种情况：碳酸盐是在高含盐量、寒冷、结冰（低温）的陨石坑中形成的。
“两种形成机制代表了两种不同的气候状况，可能代表不同的生命繁殖条件”，同样来自美国航空航天局戈达德太空飞行中心的詹妮弗·斯特恩博士说。
“干湿循环表明宜居环境和非宜居环境的交替变换，而火星中纬度的低温环境表明不适合居住，其中大部分水被锁在冰中，无法用于化学或生物学，并且物质含盐量高，对生命很不友好。”
基于某些矿物的存在、全球建模以及岩石形成分析，古时火星的这些气候情况之前已经提出过。
该结果首次为这些假设情况提供了同位素证据。火星碳酸盐中的重同位素值明显高于地球上看到的碳酸盐矿物，也是所有火星材料中记录的最重的碳和氧同位素值。
事实上，干湿气候和寒冷高盐气候是形成富含重碳、氧元素碳酸盐的必要条件。
“这些碳、氧同位素值高于地球或火星上测得的任何其他值，这表明某种过程（或多种过程）被推向了极端，”伯特博士说。
“虽然蒸发会导致地球上氧的同位素发生明显变化，但该项研究中测量到的变化情况大到两至三倍。”
“这意味着两件事：（i） 发生十分严重的蒸发才导致这些同位素含量如此高，或 （ii）由于重质量同位素积累下来，形成轻质量同位素的过程一定变少的。”
该团队的论文本周发表在《美国国家科学院院刊》
（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。
参考文献：
Burtt, D. G., Stern, J. C., Eigenbrode, J. L., Ming, D. W., Steele, A., & Archer, C. D. (2024). Carbonate carbon and oxygen isotopes reveal extreme evaporative fractionation in Gale crater, Mars. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(42), e2409176121.