如今的火星是一个严寒的世界，其地表所有的水都已冻结。然而，有充足的证据表明液态水曾在这颗红色星球上流淌。这一悖论引发了持续的争论：数十亿年前是什么使火星的气候变暖？一个团队现已提出，巨大的小行星撞击——那种能形成直径超过1200公里的盆地——可能起到了重要作用。该团队于3月在《地球物理学研究快报》上报道了他们的研究结果。
火星地貌中散布的沟壑、河床、河道和湖床，从形态上看与地球上水蚀地貌极为相似。诸如地层和硫酸盐等含水矿物的存在，通过火星轨道卫星的光谱探测到，进一步证实了这颗红色星球曾经更温暖湿润。通过对地质特征和水蚀矿物进行年代测定，科学家们确定火星大约在40亿年前必定是相对温和的。
不要看太阳
火星似乎经历过的古代温暖期，无法归咎于一个看似显而易见的因素，比如太阳。这是因为我们的恒星在过去并没有更亮。事实上，据中国科学技术大学合肥校区行星科学家Lu Pan说，数十亿年前太阳的功率输出可能比今天低约30%。“太阳要暗得多。” Pan表示，这一事实困扰了科学界几十年。“气候模型研究者一直在试图找出使行星变暖的方法。”
Pan和她的同事最近提出了一种可能性，这依赖于真正灾难性的事件。在以往研究的基础上，该团队认为，比6600万年前导致非鸟类恐龙灭绝的小行星撞击还要大得多的一次巨大撞击，触发了火星地壳和地幔中的化学反应。
在这个称为氧化作用的过程中，含铁矿物与火星地下水发生反应，产生氧化铁和氢气。然后，这些氢气与火星大气中已有的二氧化碳发生碰撞。
所有这些分子的碰撞会改变它们的电子结构，使它们能够吸收更广泛波长的辐射，这是一个经过实验验证的现象，称为碰撞诱导吸收。奥兰多中佛罗里达大学的行星科学家Ramses Ramirez（未参与此研究）表示：“这些分子变成了更有效的温室气体。”
最近的研究表明，同时含有二氧化碳和氢气的 atmosphere可以达到高于冰点的温度。另一方面， Ramirez说，一个不含氢气或其他温室气体的以二氧化碳为主的大气层，最高温度只能达到约-40°C。“这比冰点低40多度。”
要么就来大的，要么就回家
直径超过100公里（60英里）的小行星——比导致恐龙灭绝的撞击物大10倍多——撞击岩石天体时会形成巨大的盆地。火星上至今仍存在一些这样的凹陷，包括希腊平原、伊西斯和阿尔及尔。Pan和她的同事们得出结论，形成这些盆地的撞击会释放出大量的氢气，因为小行星本身以及火星地壳和地幔的一部分都会被氧化。
研究人员计算出，形成直径约1200公里（750英里）以上盆地的撞击会产生足够的氢气，使火星大气温度升高到高于冰点。
但是，那种相对温和的条件不会永远持续下去。这是因为氢气非常轻，不容易留存。Pan说：“即使你瞬间向大气中注入了大量氢气，它也会很快逃逸。”
在这张来自火星轨道激光高度计（MOLA）的假彩色图像中，希腊平原——深蓝色圆形区域——是太阳系中已知最大的撞击坑之一，直径约2300公里（1400英里）。图片来源：MOLA科学团队
基于对火星大气物理结构的假设，研究人员确定，在最大盆地形成撞击后，每秒每平方厘米火星大气会流失大约一万亿个氢分子。考虑到这种逃逸，Pan和她的同事们计算出，古代火星的温度可能在2万到100万年间保持在冰点以上。
根据以往的研究，火星早期历史中发生了20次盆地形成撞击，Pan及其团队确定其中14次事件可能使温度升高到冰点以上。
哈佛大学的行星科学家Robin Wordsworth（未参与此研究）表示，这些结果是合理的。但他认为，考虑小行星撞击与火星水蚀地貌形成之间的相对时间非常重要。如果一个是原因，另一个是结果，那么两者在时间上应该同步。但Wordsworth表示，情况并非总是如此，因为最大的撞击发生在我们看到河谷网络之前。“大的撞击发生在我们看到河谷网络之前，”他说。“这是基于撞击假说的主要挑战之一。”
Pan和她的同事们承认了这一差异，并建议火星的河流地貌在某些情况下可能比它们看起来更古老。Pan说，侵蚀或其他地质活动可能已经抹去了更早期的水蚀地貌特征。“我们只是不确切知道那些早期过程的时间。”
