火星并不总是我们今天看到的寒冷沙漠。越来越多的证据表明，水数十亿年前在这颗红色星球表面流动。如果有水，那一定有厚厚的大气层来防止水结冰。但大约在35亿年前的某个时候，水干涸了，空气也消失了因为含有大量的二氧化碳，急剧变薄，剩下0如今，地球上只剩下一缕大气。
火星的大气到底去了哪里?这个问题一直是火星46亿年历史的核心谜团。
对于麻省理工学院的两位地质学家来说，答案可能就在火星的粘土中。在发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，他们提出，火星上缺失的大部分大气可能被锁在了火星粘土覆盖的地壳中。
研究小组认为，当火星上有水存在时，液体可能会穿过某些岩石类型，并引发一系列缓慢的反应，逐渐将大气中的二氧化碳转化为甲烷——一种可以在火星粘土表面储存亿万年的碳。
类似的过程也发生在地球上的一些地区。研究人员利用他们对地球上岩石和气体之间相互作用的了解，并将其应用于火星上类似的过程。他们发现，考虑到估计火星表面覆盖着大量的粘土，这颗行星的粘土可以容纳高达1.7巴的二氧化碳，这相当于火星最初早期大气的80%左右。
研究人员提出，这种被隔离的火星碳可能有一天会被回收并转化为推进剂，为未来的火星和地球之间的任务提供燃料。
“根据我们在地球上的发现，我们表明类似的过程可能在火星上发生，大气中大量的二氧化碳可能已经转化为甲烷，并被封存在粘土中，”研究作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)地质学教授奥利弗·贾格茨说。“这种甲烷可能仍然存在，甚至可能在未来被用作火星上的能源。”
该研究的主要作者是EAPS最近的毕业生约书亚·默里博士。
Jagoutz在麻省理工学院的小组试图确定驱动地球岩石圈演化的地质过程和相互作用——岩石圈是坚硬而脆弱的外层，包括地壳和上地幔，也就是构造板块所在的地方。
2023年，他和默里把重点放在了一种叫做蒙脱石的表面粘土矿物上，这种粘土矿物被认为是一种高效的碳捕集剂。在一粒蒙脱石中有许多褶皱，碳可以在其中不受干扰地存在数十亿年。他们表明，地球上的蒙脱石很可能是构造活动的产物，一旦暴露在地表，粘土矿物就会从大气中吸收并储存足够的二氧化碳，在数百万年的时间里为地球降温。
在小组报告了他们的结果后不久，Jagoutz碰巧看到了火星表面的地图，并意识到火星表面的大部分地区都覆盖着同样的蒙脱石粘土。这些粘土在火星上是否也有类似的碳捕获作用，如果有的话，这些粘土能储存多少碳呢?
“我们知道这个过程会发生，而且在地球上有很好的记录。这些岩石和粘土存在于火星上，”Jagoutz说。“所以，我们想试着把这些点联系起来。”
在地球上，蒙脱石是大陆板块移动和抬升的结果，将岩石从地幔带到地表，而在火星上却没有这样的构造活动。该团队根据科学家对火星历史和组成的了解，寻找粘土在火星上形成的方式。
例如，对火星表面的一些远程测量表明，至少部分火星地壳含有超镁铁质火成岩，类似于地球上通过风化作用产生蒙脱石的岩石。其他观察结果揭示了类似于陆地河流和支流的地质模式，在那里水可能流动并与下面的岩石发生反应。
Jagoutz和Murray想知道水是否会与火星深处的超镁铁质岩石发生反应，从而产生今天覆盖火星表面的粘土。他们根据已知的火成岩如何与地球上的环境相互作用，建立了一个简单的岩石化学模型。
他们将这个模型应用到火星上，科学家们认为火星的地壳主要由富含橄榄石的火成岩组成。该团队使用该模型来估计富含橄榄石的岩石可能经历的变化，假设水在表面存在至少10亿年，大气中含有厚厚的二氧化碳。
默里说:“在火星历史上的这个时候，我们认为二氧化碳无处不在，在每个角落和裂缝中，通过岩石渗透的水也充满了二氧化碳。”
在大约10亿年的时间里，穿过地壳的水会慢慢地与橄榄石发生反应——橄榄石是一种富含铁的还原形式的矿物。水中的氧分子会与铁结合，释放出氢，形成红色的氧化铁，这就是这颗行星标志性的颜色。这些游离的氢会和水中的二氧化碳结合，生成甲烷。随着反应的进行，橄榄石会慢慢转变成另一种富含铁的岩石，即蛇纹石，然后继续与水反应形成蒙脱石。
默里说:“这些蒙脱石粘土有很大的储存碳的能力。“所以我们利用现有的关于这些矿物质如何储存在地球上的粘土中的知识，并推断说，如果火星表面有这么多粘土，那么这些粘土中可以储存多少甲烷?”
他和Jagoutz发现，如果火星上覆盖着一层1100米深的蒙脱石，那么这些粘土就可以储存大量的甲烷，相当于大气中大部分的二氧化碳，而人们认为，自从火星干涸以来，二氧化碳就消失了。
默里说:“我们发现，对火星上全球粘土体积的估计与火星初始二氧化碳的很大一部分是一致的，这些二氧化碳以有机化合物的形式被隔离在富含粘土的地壳中。”“在某种程度上，火星消失的大气层可能隐藏在人们的视线中。”
这项工作得到了美国国家科学基金会的部分支持。
