莱斯大学的研究人员使用针对火星修正的气候模型，探究了火星赤道附近的盖尔陨石坑等地是否可能存在过湖泊。他们的研究结果表明，只要整体气候条件保持稳定，在季节性薄冰层之下，湖泊可以保持液态数十年，甚至可能更久。这一发现有助于解答火星研究中一个长期存在的问题。尽管整个火星上存在由流动或静止水体塑造的地质特征，但许多气候模型表明，早期火星可能过于寒冷，无法支持液态水的存在。
这项发表在《AGU进展》上的研究，为湖泊在非温暖气候下如何存在，以及为何古代火星湖床如今保存得如此完好，提供了一种新的解释。
"看到火星上古老的湖盆，却没有明显的证据表明存在厚实、持久的冰层，这让我怀疑，在寒冷气候下，这些湖泊中的水是否能存在超过一个季节，"该研究的主要作者、莱斯大学研究生埃莉诺·莫兰说。"当我们的新模型开始显示，湖泊可以在只有一层季节性消失的薄冰的情况下持续存在数十年时，我们感到非常兴奋，因为我们可能终于找到了一个符合我们今天在火星上所见情况的物理机制。"
将地球气候工具转向火星
为了研究这个问题，研究团队采用了一种被称为"代理系统建模"的气候建模框架。这种方法最初由地球气候研究人员西尔维娅·迪开发，目的是利用诸如树木年轮或冰芯等间接指标来重建古代气候。
火星缺乏树木和其他我们熟悉的气候指标，因此研究人员转而依赖火星车收集的数据。岩层和矿物沉积物充当了气候记录的替代品，使研究团队能够推断过去的气候条件。
几年来，研究人员修改了湖泊模型，以反映大约36亿年前火星的状况。他们考虑了一些因素，如较弱的阳光、富含二氧化碳的大气层，以及火星特有的季节性差异。
利用这个新的"基于大气重建与模拟的火星湖泊模型"，研究团队根据美国宇航局好奇号火星车在盖尔陨石坑的测量数据以及现有的火星气候模拟，运行了64个测试场景。
每个场景模拟了陨石坑内一个假设的湖泊持续30个火星年（约56个地球年）的情况。这使得研究人员能够测试在不同条件下，湖泊是否真的能保持液态。
"思考如何将为地球设计的湖泊模型应用到另一个星球上，这个过程很有趣，尽管当我们不得不改变某些参数，比如重力时，这个过程伴随着大量的调试工作，"该研究的合著者、地球、环境和行星科学副教授迪说。
"我们对模型对大气压和温度季节性等参数的敏感性感到既惊喜又备受鼓舞。这表明，通过一些创造性和实验，源自地球的模型可以生成现实的火星气候情景。"
薄冰作为天然保温层
模拟根据不同的条件产生了不同的结果。在某些情况下，湖泊在较冷的季节完全冻结。在其他情况下，水在薄冰层下保持液态，而不是完全冻结。
这层薄冰起到了关键作用。它就像一个保温盖，限制了蒸发和水分流失，同时仍允许阳光在一年中较暖的时期加热湖泊。
由于这种季节性循环，一些模拟湖泊在几十年间的深度变化很小。这表明，即使平均气温保持在冰点以下，它们也能长期保持稳定。
"这种季节性冰盖就像是湖泊的天然毯子，"该研究的合著者、地球、环境和行星科学副教授克尔斯滕·西巴赫说。
西巴赫说，它在冬季为湖水保温，同时又允许其在夏季融化。"由于冰层薄且短暂，它几乎不会留下任何证据，这可以解释为什么火星车在火星上尚未发现多年生冰层或冰川的明确迹象。"
重新思考寒冷火星上的水
结果表明，早期火星可能支持长期存在的湖泊，而无需持续温暖的条件。这挑战了先前的假设，即火星上的地表水只有在漫长的温暖期才可能存在。
如果湖泊受到季节性冰层的保护，而不是被厚厚的永久冰层掩埋，那么火星上许多令人费解的特征就变得更容易解释了。保存下来的湖岸线、层状沉积物和矿物沉积，都可能反映了在寒冷气候下依然存在的稳定湖泊。
这对未来火星研究的意义
研究人员计划将该火星湖泊模型应用于火星上的其他盆地，以探究类似湖泊是否曾在星球其他地方存在过。他们还想探索大气成分或地下水流的变化如何随着时间的推移影响湖泊的稳定性。
"如果整个星球出现类似的模式，那么结果将支持这样一种观点，即即使是相当寒冷的早期火星，也可能维持全年存在的液态水，这是环境适宜生命生存的关键要素之一，"莫兰说。
这项研究的其他合著者包括莱斯大学本科生奈拉·哈蒂根、加州理工学院喷气推进实验室的迈克尔·米施纳、布朗大学的詹姆斯·拉塞尔以及约克大学的格蕾丝·比肖夫和约翰·穆尔斯。莱斯大学教师创新基金和加拿大航天局支持了这项研究。