［本站讯］近日，山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登团队行星科学课题组在火星大气与地表相互作用方面取得新进展，课题组通过模拟实验发现并验证了火星尘暴中的气体—固体多相电化学反应可以形成碳酸盐尘埃。与传统的碳酸盐的形成需要水参的认识不同，该反应机理无需水参与。该研究揭示了一种火星碳酸盐形成的新机理和火星固碳的新途径。1月11日，该项工作以“Solid−gas carbonate formation during dust events on Mars.”为题，以前瞻性文章（Perspective）的形式在线发表于国际权威期刊National Science Review（《国家科学评论》，最新影响因子23.178）上。团队博士研究生毛文硕为第一作者，付晓辉副研究员和武中臣教授为论文的共同通讯作者。
1、火星大气中二氧化碳消失之谜
火星是距离地球最近的类地行星之一，承载了人类对地外生命和宜居环境的想象，一直以来都是国际深空探测的重点目标。半个世纪以来的探测，揭示了火星上曾经广泛存在流水活动形成的河谷、三角洲等，发现了这颗红色行星上古湖泊、古海洋的遗迹，识别出了层状硅酸盐等水—岩相互作用成因矿物。这些证据都说明火星表面上曾经是温暖而湿润的，过去可能存在一个浓密的、富含二氧化碳的大气层。然而，现今火星的表面十分寒冷、干燥，并且气体稀薄(重要成分为二氧化碳)。那么，火星早期大气中二氧化碳到哪里去了呢？
2、火星上碳酸盐的成因推测
火星大气中二氧化碳消失之谜的一种解释是二氧化碳可以通过火星表面的水化学沉积而被固化形成碳酸盐。从地球角度而言，碳酸盐沉积广泛发生在浅海等沉积环境中，是全球碳循环的重要组成部分。而火星上仅仅零星几个碳酸盐露头，而且其产状上也不同于地球上常见的厚层碳酸盐岩。另外，美国火星全球勘探者环绕器搭载的热红外光谱仪，识别出火星尘埃中含有碳酸盐组分（约2~5wt%），但其来源尚不明确。若追踪其来源，火星尘埃中的碳酸盐（包括其他组分）可能主要源自岩石风化、剥蚀等表生地质作用而生成的碎屑沉积物。但在火星表面特殊环境（极其干燥、大气以二氧化碳为主、频发尘暴）下，火星尘埃中的碳酸盐的形成极有可能还存在其他机制？
3、火星尘暴模拟实验发现碳酸盐的形成新机理
火星上存在频发、强度大且影响面积广的沙尘暴现象。尘暴期间，干燥的火星尘埃颗粒彼此摩擦从而产生静电放电现象，同时引发一系列火星大气和表面矿物之间的电化学反应。利用自行搭建的火星环境模拟舱（火星舱），山东大学行星团队开展火星尘暴静电放电模拟实验。实验中以火星土壤和尘埃中常见矿物组分作为反应物，同时采用拉曼光谱、中红外光谱和化学滴定法等定性和定量方法，分析新反应产物的含量。
火星尘暴中碳酸盐形成途径示意图
基于实验，团队证实火星尘暴中发生的电化学过程可导致火星大气中二氧化碳气体被固化为碳酸盐。实验还发现火星表面的卤盐（包括含Cl和Br的NaCl，KCl，MgCl2，NaBr，KBr等）和（高）氯酸盐（NaClO3，NaClO4）可以作为形成碳酸盐的前体。在高能电子的作用下，气态物质（如Na+，Cl-，Cl+等）从氯化物晶体中释放，同时火星大气中的二氧化碳发生电离或解离形成自由基（CO2+，CO+）。二者发生气相反应从而结合生成碳酸盐，并最终沉积在火星尘埃颗粒表面（图1）。需要说明的是，在这个电化学驱动下的气—固反应中，没有液态水的参。这是一种发生在火星上碳酸盐形成的新机制。
4、本研究对火星大气演化的启示
自亚马逊纪以来，火星表面环境特征与当前的情况基本一致：寒冷、干燥、稀薄的二氧化碳大气，以及频发的沙尘暴现象。团队推测尘暴放电生成碳酸盐的过程可能在火星表面已经持续发生了30亿年，约~0.56 mbar的大气二氧化碳被固化形成碳酸盐。
该研究对于认识火星大气与表面物质的相互作用、火星大气演化具有重要启示意义。基于模拟实验研究，行星研究团队近年来提出火星尘暴活动引发火星表面高氯酸盐的形成，发现氯化钠出现晶体缺陷（色心现象）等一系列重要工作。该研究进一步扩展和深化了我们对火星大气与表面物质强相互作用的认识。火星大气固碳过程从30亿年前一直活跃至今，深刻影响了火星上氯/碳等元素循环和大气成分的演化。
该成果得到了中国科学院B类先导专项（XDB 41000000）、国家自然科学基金（42173045、42273039等）、民用航天技术预先研究等项目资助。其他相关的研究工作正在持续的推进过程中。
论文信息：Wenshuo Mao, Xiaohui Fu*, Zhongchen Wu*, Jiang Zhang, Zongcheng Ling, Yang Liu, Yu-Yan Sara Zhao, Hitesh G Changela, Yuheng Ni, Fabao Yan,Yongliao Zou.Solid−gas carbonate formation during dust events on Mars. National Science Review, 2023, nwac293, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac293
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac293
