左图为美国科罗拉多大峡谷，由科罗拉多河长期冲蚀形成；右图为好奇号拍摄的火星夏普山，这里曾是一个巨型湖泊。

火星表面广泛分布的峡谷网络很可能是数十亿年前洪水冲蚀形成的，但是洪水是怎么形成的目前依然未知。近日，宾夕法尼亚州立大学与美国宇航局的研究人员利用气候模型验证火星早期的温室效应如何形成这些洪水。

宾夕法尼亚州立大学天体物理与天体生物学研究生，娜塔莎•巴塔利亚（Natasha Batalha）说：“所有人都在搜寻火星上的生命，如果这些早期流水的证据表明火星曾是个适合生命生存的星球，那么现在火星上依旧存在生命的可能性会大增。我们的工作包括用气候模型来准确推测38亿年前火星表面发生的事情。”

此前对火星陨石坑的研究分析支持火星早期表面有流动的洪水，但是当时火星表面升温能够融化水冰是怎么发生的，究竟有多少水依然是谜。

宾夕法尼亚州立大学著名地球科学教授，詹姆斯•卡斯廷（James Kasting）说：“如果我们将火星上的这些峡谷与地球的相比较，比如科罗拉多河，它们看起来拥有相同的宽度，而科罗拉多大峡谷正是五六百万年的长期降雨冲蚀形成的，这几百万年的总降水量达到9亿到18亿毫米。”

2014年卡斯廷教授的研究小组提出一个气候模型表明：火星早期变暖是因为当时有一个由温室气体组成的稠密大气层，具体说是二氧化碳，此外还有氢气。在最近一期的行星科学顶级杂志《伊卡洛斯》上，研究小组报告提到使用光化学模型，他们确定火星早期存在一个氢气含量较高的大气层。

卡斯廷与巴塔利亚的小组用光化学模型模拟了大气的各个方面，包括利用数学确定化学成分及它们如何发生反应，他们还明确了在火星地表与大气里的不同反应。

巴塔利亚说：“我们工作的重点是确定当时的火星是否有一个氢气含量在5%的大气层。对类地行星来说，大气里氢气含量在5%显得太多。通常类地行星不会有这样的大气组成，因为氢原子较轻，非常容易从大气中逃逸。”

为了能够让大气中的氢气含量增高，当时的火星需要存在板块运动造成的火山活动。虽然研究人员确信有证据表明在火星早期存在一定的板块构造，但这一理论目前仍然有争议。研究小组将寻找更多证据支持他们的气候模型，但不依赖于板块构造理论。一种可能性是氢的逃逸速率比目前预测的要慢很多。

火星阿瑞斯谷附近，早期洪水冲蚀留下的岛屿痕迹，火星奥德赛探测器拍摄。

卡斯廷表示，一个竞争性的假说，称之为“碰撞假说”，主张当时有大规模的小行星撞击轰炸造成了火星表面临时性的增温，产生了含有大量水汽的大气环境，这些水汽凝结产生降雨，在火星表面冲蚀形成今天的峡谷。然而，这样的总降水量只有约50万毫米，而形成科罗拉多大峡谷的总降水量达到10亿毫米。

仍在火星工作的好奇号火星车发回的数据表明，好奇号所在的盖尔陨石坑目前仍有液态水存在。巴塔利亚称，进一步的证据显示水在火星表面存在了数千万年，这支持火星早期拥有一个较为温暖的气候，并把“碰撞假说”排除在外。

“尽管好奇号不能直接证明我们“高氢气含量的大气”假说，但是火星早期持续了数百万年时间的温暖气候，这直接指向了当时火星大气拥有较高氢气含量。除此之外，我们没有找到更合理的假说解释当时火星的温暖气候，其他的温室机制在我们的模型里都失败了。”巴塔利亚说。

同时在这个项目上工作的还有宇航局的空间科学家高德曼(Shawn Domagal-Goldman)，宾夕法尼亚州立大学地球科学博士，现任康奈尔大学副研究员的拉美西斯•拉米雷斯（Ramses Ramirez）。

美国国家科学基金会，宇航局宇宙与天体生物学项目，西蒙基金会与卡尔•萨根研究所支持了这项工作。（桂林/编译）

扩展阅读：科罗拉多大峡谷

科罗拉多大峡谷（Grand Canyon）位于美国亚利桑那州西北部，是科罗拉多河经过数百万年的冲蚀而形成，世界七大自然奇观之一。大峡谷总长446公里，平均深度有1200米，宽度从0.5公里至29公里不等。科罗拉多高原抬升时，科罗拉多河及其支流切割层层沉积岩，由此形成了大峡谷。

科罗拉多河盆地（大峡谷是它的一部分）已有4000万年历史，但大峡谷本身的历史或许还不到600万年（大部分侵蚀是在最近200万年才发生的）。在冰河时期，相对潮湿的气候使古科罗拉多河水系的总水量增加，加快了其下切河道的速度。