大気はほとんど消失しています。 確かに、9月に見当違いの火星気候観測隊が行ったように、隕石のような速度で火星の大気に突っ込めば、あなたを引き裂くにはまだ十分な量があるのです。 しかし、それ以外の状況では、火星は大気としてはお粗末なものである。 火星の地表の圧力は、地球の1パーセントにも満たないのだ。

金星や地球には大気があるのに、なぜ火星には大気がないのでしょうか？ 生まれつきそうだったのかもしれませんが、かつてはもっと厚い大気があったことを示すヒントがたくさんあるのです。 現在の火星の表面は寒く、非常に乾燥している。 しかし、火星の表面には、かつて液体の水が洪水の水路や谷を流れ、クレーターに海岸線を残し、グレートノーザンベースンには海が形成されたかもしれないという紛れもない痕跡が残っている。 平均気温が約-53℃で湿るのは難しいので、液体の水は暖かいことを意味する。 そして、暖かいということは、二酸化炭素のような温室効果ガスが豊富で、断熱性の高い厚い大気を意味します。 熱心に調べても、誰も知らない。 しかしこの1年、NASAのマーズ・グローバル・サーベイヤーは、それ自身が大気を利用してブレーキをかけ、軌道を変更しながら、その疑問に答えられるような情報を収集しています。 そしてその結果は、設計者の予想とは全く異なるものでした。

1980年代、研究者たちは、火星がかつて温暖で湿潤であった理由についての理論を展開しました。 まず、火星の氷を溶かして水が流れるようにするには、どれくらいの二酸化炭素が必要かを計算し、5〜10バール（1バールは地球の大気圧1つ分）という数字になりました。 これは、現在数ミリバールしか残っていない惑星としてはかなり大きな数字で、それ以来、CO2がどこに消えてしまったのかを説明する必要があったのです。

液体の水があると、二酸化炭素の大気は不安定になり、ガスが溶けて、惑星の表面の珪酸塩岩を化学的に風化させ、最終的に炭酸塩の形で固定されます。 その証拠は足元にある。 かつて、地球の大気はCO2が支配しており、その厚さは現在よりずっと厚かった。 現在、人類はその問題を解決しようと熱心に取り組んでいるが、CO2はかつての栄光の痕跡を残すまでに減少し、我々が呼吸する空気の1000分の1以下しか占めていない。

その理由は、何十億年もの間、化学風化作用によって大量のCO2が炭酸塩として蓄積されたからです。 ペンシルバニア州立大学ユニバーシティパークのジム・カースティングは、温暖湿潤初期火星説をまとめた研究者の一人で、その欠点を最初に指摘した一人ですが、もし現在地球の炭酸塩堆積物に閉じ込められているCO2をすべて放出したら、約60気圧分のCO2が得られるだろうと述べています。 研究者たちは、その答えがリサイクルであると考えた。 地球では、炭酸塩から出る二酸化炭素の一部は、プレートテクトニクスを通じてリサイクルされている。 炭酸塩に富んだ堆積物が、沈み込み帯でマントルへ降りていくとき、あるプレートが別のプレートの下に滑り込むと、それらは加熱され、大気中に二酸化炭素を放出し、地球を暖めることができるのです。 地球と違って、火星には地殻の塊を押し流すほどの内部熱はありませんし、金星のように大きなゲップを出して再浮上するようなこともありません。 火星の内部火災がプレートテクトニクスのシステムを動かしていたという証拠はほとんどなく、火星はその内部熱を利用して炭酸塩をリサイクルする方法をいくつか持っていたかもしれないが、惑星の内部が冷えるにつれて、かなり早い段階で力尽きただろう。 CO2のリサイクルは新しい炭酸塩の生産に遅れをとり始め、大気は本格的に縮小し始めたことでしょう。 あとは、地表に炭酸塩を発見して、自分たちの話を確かめるだけだ。 宇宙からこの仕事をするのに最適な技術は、特定の鉱物に特有の赤外線スペクトルの特徴を拾い上げる赤外線分光法です。 今年、マーズ・グローバル・サーベイヤーの分光器である熱放射分光器（TES）は、マーズ・グローバル・サーベイヤーの地表のほぼ4分の3をカバーする、初めての完全な調査を完了した。 この装置の責任者であるアリゾナ州立大学テンピ校のフィル・クリステンセン氏によれば、炭酸塩が地表の15％未満を占めていることが判明したとのことである。 おそらくもっと少ないだろう。 クリステンセン氏は言う。「我々は10％や15％という数字には慎重であり、基本的に識別可能な炭酸塩の痕跡はないのです」。 「私の推測では、TESがする最も深い発見と、私たちが書く最も興味深い論文は、火星の少なくとも表面には炭酸塩が存在しないということです。

もしクリステンセンの疑いが正しければ、火星の研究者はいくつかの興味深い選択に直面することになる。 大気を取り除く別の方法を見つけるか、そもそも大気が少ない状態でやり過ごすか、あるいはその両方を行う可能性があるのです。

まず、他の隠れ場所を確保する。 おそらく地球の土壌に凍結した二酸化炭素や、極冠の水氷の下にある乾燥した氷の中に隠れているはずです（しかし、マーズ・グローバル・サーベイヤーの他の観測により、この2番目の可能性に少し疑問が投げかけられています）。 このようなリザーバーがあれば、現在大気中に存在するCO2の10倍ものCO2が蓄積されている可能性がある。 しかし、現在の大気は1バールの100分の1以下なので、過去と現在の違いを説明するには十分ではありません。

それから、地表の下に炭酸塩が隠れている可能性もあります。 地球で発見された13個の火星隕石はすべて微量の炭酸塩を含み、その中で最も古いALH 84001には炭酸塩の鉱脈が走っているのだそうです。 火星の地下では、かなりの量のCO2が失われている可能性がありますね。 しかし、炭酸塩の堆積物を地表に残すことなく、数気圧の大気を取り除くことができるとは思えません。

では、おそらく大気は惑星から完全に消滅したのでしょう。 このようなことが起こるには2つの方法があります：非常に大きな衝突と非常に小さな衝突です。 小惑星や彗星が惑星表面に衝突すると、大気の大部分が高速で放出され、惑星の重力から永久に逃れることがあります。 太陽系が誕生して間もない頃、惑星はまだ組み上がったばかりで、たくさんの瓦礫が残っていました。

小惑星の衝突によって初期の火星の大気が下から上に侵食された後、より微妙なプロセスによって上から下にかじられた可能性がある。 地球の上層大気は常に太陽風の影響を受けている。 太陽風は薄く、非常に軽い粒子でできているので、それ自体は無害なのだが、磁場も帯びている。 しかし、太陽風には磁場があり、上層大気からイオンを拾って加速し、再びイオンの仲間に叩きつけることができる。 コロラド大学ボルダー校のブルース・ジャコスキー教授は、「イオンを秒速400キロメートル以上で上層大気にぶつけることができます」と言う。 「まるでプールの射的のようなものです。 ブレイクショットでは、すべてを地獄に突き落とすことができます。 大気圏外にあるものを完全に叩き出すことができるのです」。 このプロセスはスパッタリングと呼ばれ、今日でも火星の大気を侵食していると考えられているが、その速さは誰にもわからない。

これらの異なるプロセスはどのように組み合わされているのでしょうか？ 最大の要因はおそらく衝撃である。 カリフォルニアのNASAエイムズ研究所のケビン・ザーンル氏によれば、火星は衝撃によって、もとの大気を大量に、それも99％以上、剥ぎ取ってしまったということです。 この数字は、大気中のキセノンの異なる同位体の比率から得られたものであると彼は言う。

今日の火星大気中のキセノン同位体の混合物は、地球大気や太陽に見られるよりもはるかに高い割合のキセノン129を含んでいます。 キセノン-129はヨウ素-129の崩壊によって生成される。 キセノン129がこれほどまでに優勢なのは、キセノン同位体の混合物が太陽系の他の部分と同様であったはずの元の大気が、惑星内部の放射性ヨウ素がほとんど崩壊する前に、惑星から多少なりとも剥ぎ取られたためと思われる。

しかし、Zahnleの計算では、衝撃による浸食は聖書のような惨状であったにもかかわらず、すべての大気をはぎ取ることには成功しなかったようです。

ザーンレは、大気の一部は地殻の中に閉じ込められ、安全なときにだけ出てきて、砲撃を受けたかもしれないと考えています。 カリフォルニア大学サンディエゴ校のKattathu MathewとKurt Martiは、この夏、カリフォルニア州パサデナで開催された第5回国際火星会議で発表した論文で、マース・グローバル・サーベイヤーの新しい発見で飽和した最初の本当に大きな会議で、ALH 84001隕石に閉じ込められたガスについての新しい分析について述べました。

これらの古代の火星のガスは、明らかに岩石が最初に形成された時期に対応するものである。 キセノンの比率は現在と全く同じなので、おそらく最初の大きな皮むきの後に作られたものと思われる。 しかし、この隕石の窒素同位体は、現代の火星大気とは異なるものである。 現在の大気は、窒素の重同位体に非常に富んでいる。 しかし、MathewのALH 84001のサンプルはそのような濃縮を見せない。

偶然にも、スパッタリングは軽い窒素を取り除くのに特に適しているのです。 大気の上層部では乱流がほとんどないため、各ガスの軽い同位体が上層にくるという、微妙な同位体の層状化が起こります。 スパッタリングは上から下に向かって作用するので、重い同位体よりも軽い同位体を叩き出す可能性が高いのです。 そのため、ALH 84001のサンプルは、スパッタリングがまだ始まっていなかった時代、つまり火星の上層大気が太陽風の影響から保護されていた時代のものであるように見えるのです。 マーズ・グローバル・サーベイヤーが軌道を変えるために火星の上層大気を利用している間、探査機は火星の南高地をかなり低く飛行し、地殻から予想外の信号を磁力計に拾わせたのです。 それ以来、現在の火星には地球磁場がないが、若いころは非常に強い磁場があり、その痕跡が地殻に刻み込まれていることが明らかになった。 しかし、火星は小さすぎるため、そのような活動を長く続けることはできなかった。

磁場がある限り、太陽風の影響から惑星を保護することができたでしょう。

磁場がある限り、太陽風の影響から惑星を守ることができたでしょう。 それは何とも言えません。 現在のスパッタリングがどれくらいの速度で起こっているのか、太陽系初期の太陽風がどれくらいの強さだったのか、誰も知らないのです。 ほとんどの推定では、惑星の生涯でスパッタリング損失は1バールの10分の1程度とされていますが、これらの予測のいくつかを行ったジャコスキー氏は、考えられる限り、その10倍以上あったのではないかと考えています。 しかし、研究者たちはこの惑星の必要条件を過大評価していたのかもしれません。 液体の水の存在を説明するために何気圧もの二酸化炭素を必要とするモデルは、雲の形成を考慮していなかったのだ。 その結果、たとえ半気圧の大気圧であっても、原理的には固体の二酸化炭素の雲が火星をうまく温めていたかもしれないことがわかったのです。

1997年11月、パリのピエール＆マリー・キュリー大学のフランソワ・フォルジェとシカゴ大学のレイモンド・ピエールハンバートは、そのような大気中の大きな乾燥氷の結晶が、入ってくる可視光や紫外光を通しながら熱線を地上に向かって非常によく散乱することを計算しました（科学、273巻、1273頁）。 薄くても曇った大気は、火星の歴史の初期に火星を暖め、その後、コアの冷却によって磁場が遮断されたときに、スパッタリングされた可能性がある。

問題は、冷却雲がモデルで見つかったからといって、それが現実にあったとは限らないということです。 カースティングは、ある種の雲は地表を暖めたかもしれないが、他の雲は地表を冷やしたかもしれないと指摘しています。 火星の表面の多くの水紋は、いくつかの短い、湿った大災害で形成されたかもしれないと考える人もいます。 Zahnleが言うように、「私は地球表面で液体の珪酸塩溶岩の証拠を見てきました：地球の温度が1500Kだったと結論づける必要があるのでしょうか？ 私が公平に結論付けられるのは、液体がそこにあり、その液体が高温であったということだけです」。 河谷は、地域の火山活動や衝撃によって温められた地下水の作用で形成されたのかもしれません。 あるいは、後に昇華した一時的な氷床下に形成されたかもしれません。

おそらく、暖かさは非常に短いスパートをかけてやってきたのでしょう。 そうすると、谷があるにもかかわらず、古いクレーターの多くに持続的な浸食の証拠がほとんどなく、いくつかのクレーターがほとんど月のような鋭さを保っている理由も説明できるのではないでしょうか。

アリゾナ州ツーソン大学のビクター・ベイカーは、火星の内部からのガスが地殻の深部から地表に暖かい水を押し出したおかげで、火星が非常に湿っていたことがあると信じています。 しかし、このような洪水は、1万年かそこらしか続かなかったと思われる。 このような湿潤な時期が12回あったとしても、火星の歴史のほんの一部に過ぎず、南半球の高地は浸食されることなくそのまま残されるでしょう。

数回の宇宙ミッションで惑星全体を理解することができないのは、実は驚きではありません。 しかし、火星の過去の複雑さと矛盾のようなものは、その教訓を家に押し付けるものです。 火星の歴史は、「昔は暖かく湿っていて、今は冷たく乾いている」というモデルが許容する以上に複雑なのかもしれないのだ。 火星の最初の10億年間は、あらゆる種類の不可解なパズルを投げかけてきたかもしれない。それを解決するために、研究者はジャコスキーのアイデアのように、惑星の溶融中心部から宇宙の果てまで広がる理論を提案することになるだろう。 火星の薄い大気は、惑星の毛布にはならないかもしれませんが、推測のための踏み台としては、他のものに引けをとりません」

Oliver Morton は、ロンドンを拠点とする科学ライターです

New Scientist issue: 20th November 99