大气氧化与现代火星的形成

和地球一样，火星也是在大约 45 亿年前形成的，但其早期表面与现在截然不同。在被称为晚期重轰炸期的时期，火星表面曾多次遭受陨石和小行星撞击。但今天的火星寒冷、干旱，拥有两极冰封，大气呈氧化状态(例如，富含铁的物质会生锈)，而早期火星则以冰封的高地、间歇性温暖和还原性大气为特征。

气候转变的原因尚不清楚。现在，中国的一个研究小组发现证据表明，大气氧化导致火星在早期历史上寒冷且两极化。他们的研究成果发表在《自然通讯》上。

诺亚纪是火星早期的一个时期，小行星撞击频率很高，地表水可能非常丰富。确切的时间间隔尚不确定，但诺亚纪可能在 41 亿至 37 亿年前。紧随其后的是赫斯珀纪，距今 37 亿至 30 亿年前。

近年来出现的证据表明，早期火星的大气以二氧化碳 (CO 2 ) 为主，并伴有氢气等还原性气体。在还原性大气中，由于没有氧气和其他氧化性气体，氧化得以阻止，而氢气、一氧化碳和甲烷等还原性气体会轻易吸收任何氧气，如果是氢气，则会变成水相。

还原性大气会产生强烈的温室效应，这可能在早期火星变暖中发挥了重要作用。由于温室效应的强度与还原性气体的存在密切相关，因此当时大气的氧化会导致如今看到的冷却。(如今火星上的温室效应仅为 8°C 左右，而地球上的温室效应约为 33°C。)

火星奥德赛伽马射线光谱仪是安装在2001火星奥德赛号航天器上的测量仪器，该航天器自2001年以来一直在绕火星运行，返回火星表面上部30厘米的地质数据，例如水的位置和识别元素。

早期研究表明，与西方纪(37 亿至 30 亿年前)和亚马逊纪(30 亿年前至今)的地形相比，诺亚纪地形的表面铁含量相对较低，与全球表面平均铁含量相比也较低。

为什么与过去 30 亿年相比，早期火星的铁含量较低?这颗行星地壳的演化无法解释这一点。这可能是由于早期火星上的液态水造成的，液态水可能携带了一些铁，进入光谱仪 30 厘米深度范围以下，因为铁的流动性受温度、酸度、水化学和氧化还原状态的影响，氧化还原状态是​​元素的氧化状态，决定了元素的化学行为。这些因素可能决定了火星表面铁含量的分布，尤其是如果大气在其中发挥了作用的话。

香港大学的刘家成与同事利用火星奥德赛光谱仪的观测结果，研究了古代火星表面铁元素在空间和时间上的分布情况。他们发现，在火星早期，即诺亚纪晚期，铁元素的丰度随海拔高度的升高而降低，但在较近的诺亚纪，铁元素的丰度随纬度的升高而降低。

为什么会有这种差异呢?

研究小组利用火星的全球地质空白来确定火星表面网格中的相对年龄和相对铁丰度。这些数据有助于更好地理解氧化还原转变和气候模式转变之间的关系。

他们写道：“我们的发现表明，火星表面温度逐渐从海拔主导模式演变为纬度主导模式，并伴随着诺亚纪时期的大气氧化。”

研究小组的建议之一是，冰冷的风化和“低温条件导致了地表铁的消耗，这可能是由于还原性气氛下冻融循环中的缺氧浸出所致。”

浸出是一种广泛用于冶金工业的工艺，即从天然矿床(矿石)中提炼出纯金属。(例如，在高炉中冶炼以生产生铁，然后用于炼钢。)

进一步的分析使他们推测，尽管低 pH 值(低于 3)的水可以调动铁，但酸性浸出不能完全解释火星表面大面积铁的消耗。从诺亚纪早期到晚期，铁浸出的强度降低表明大气氧化逐渐加剧;随着火星大气的氧化，其温室效应减弱，最终导致如今看到的寒冷干燥的星球，两极都有冰。

刘教授说：“火星表面和大气的氧化使火星变冷，冰从高地迁移到极地。”他指出，一些科学家认为冰缘环境——厚厚的冰冻圈下面的火星地下，结合了稳定、长期的液态水和热量——可能适合生命生存。