火星表面曾有液態水，包括像曾經佔據傑澤羅隕石坑的湖泊，但這些湖泊早已乾涸。人們也認為，古代的水攜帶著殘骸，而現在融化的水冰也同樣攜帶著殘骸，它們是形成遍布火星地形的溝壑的唯一動力。新的研究結果表明，乾冰也能塑造地形。

以前，科學家相信只有液態水才能塑造火星上的溝壑，因為地球上就是如此。沒有考慮到的是昇華，即物質從固態直接轉變為氣態。昇華就是二氧化碳冰消失的過程（有時水冰也會經歷這個過程）。

冰凍的二氧化碳在火星上隨處可見，包括在溝壑中。當二氧化碳冰在這些溝壑中昇華時，產生的氣體會將碎石進一步推向斜坡，並繼續塑造斜坡。

在荷蘭烏得勒支大學行星研究員隆內克-羅伊洛夫斯（Lonneke Roelofs）的帶領下，一個科學家小組發現，二氧化碳冰的昇華可能塑造了火星溝壑，這可能意味著火星上最近出現液態水的時間可能比以前想像的還要早。這也意味著火星上可能出現生命並繁衍生息的時間窗口可能更短。

“在火星大氣條件下，二氧化碳冰的昇華可以使沉積物流動，並形成類似於在火星上觀察到的形態，”Roelofs 和她的同事在最近發表於《地球與環境通訊》（Communications Earth & Environment ）上的一項研究中說。

進入稀薄空氣

地球和火星溝壑的形態基本上相同。不同的是，我們可以肯定，液態水是它們在地球上形成並不斷塑造和再塑造的幕後推手。這種活動包括開鑿新的通道，將更多的碎石帶到溝底。

古代火星可能有足夠穩定的液態水來完成這些活動，而現在的火星表面卻沒有足夠的液態水來維持這種活動。這就是昇華的作用所在。在物質開始流動的同時，火星表面也出現了二氧化碳冰。

在研究了類似的觀測結果後，研究人員假設這些流動是在冰凍的二氧化碳昇華時被氣體向下推動的。由於火星上的氣壓較低，昇華產生的氣體流量比在地球上要相對大一些–足以使物質的流體運動成為可能。

有兩種方法可以觸發昇華，使這些流體運動起來。當溝谷中較暴露區域的一部分坍塌時，尤其是在陡坡上，被太陽加熱的沉積物和其他碎屑會掉落在較陰涼區域的二氧化碳冰上。墜落物產生的熱量可以為冰霜昇華提供足夠的能量。另一種可能性是，二氧化碳冰和沈積物會從溝壑中脫離，落到較熱的物質上，也會引發昇華。

實驗室中的火星

這些想法有一個問題：由於目前人類還沒有登陸火星，因此無法對這些現象進行現場觀測，只能透過太空船傳回影像和資料。因此，一切都是假設。研究小組必須建立火星溝壑模型，以便即時觀察火星溝壑的活動。

為了在實驗室中重現紅色星球的部分地貌，羅伊洛夫斯在一個特殊的環境艙中建造了一個水槽，模擬火星的大氣壓力。它足夠陡峭，物質可以向下移動，足夠寒冷，二氧化碳冰可以保持穩定。但研究團隊還在相鄰的斜坡上增加了較暖的坡度，以便為昇華提供熱量，從而推動碎片的移動。他們對火星上可能出現的兩種情況進行了實驗：熱量來自二氧化碳冰層下方，而溫暖的物質則被澆築在冰層之上。這兩種情況都產生了假設的那種流動。

為了進一步證明在特定條件下會發生由昇華驅動的流動，他們又進行了兩次實驗，一次是在類似地球的壓力下，另一次是在沒有二氧化碳冰的情況下。這兩個實驗都沒有產生氣流。

研究人員在研究報告中說：「這些實驗首次提供了直接證據，證明在火星大氣條件下，二氧化碳昇華可以使顆粒流動並維持下去。”

研究人員在研究報告中說：『因為這項實驗表明，溝壑和類似的系統可以由昇華而不僅僅是液態水形成，這就提出了一個問題：火星表面有足夠的液態水供應，可供生物（如果有的話）生存多長時間。火星的適居期可能比人們曾經認為的要短。這是否意味著火星上從未有過生物？不一定，但羅洛夫斯的發現可能會影響我們對未來行星宜居性的看法。”

《地球與環境通訊》，2024 年。 DOI: 10.1038/s43247-024-01298-7