人类对于火星的探索一直是科学家和太空爱好者共同的研究对象。多年来，各种探测任务已经揭示了有关这颗红色星球的过去和其可能性以滋养生命的潜力的引人入胜的线索。最近一项名为“火星大气中碳同位素特征：探秘火星历史和有机物起源”的研究，揭示了火星探索的一个引人入胜的方面——火星大气中碳同位素组成及其在理解火星大气历史和有机物起源方面的重要性。

火星大气主要由二氧化碳组成，是解开火星之谜的关键组成部分。研究人员长期以来一直知晓CO₂的光解作用会在CO₂和一氧化碳（CO）之间引发重要的碳同位素分馏。尽管这一同位素分馏过程在地球上得到了深入研究，但其对火星大气中碳相关分子同位素组成的确切影响仍然不确定。为填补这一知识空，由日本东北大学的Tatsuya Yoshida领导的科学家团队展开了一项全面的研究。研究团队开发了一种复杂的一维光化学模型，考虑了通过CO₂光解引发的同位素分馏。通过应用该模型，他们旨在估计火星大气中CO和CO₂的碳同位素组成的垂直剖面。研究结果令人着迷且富有启发性。研究揭示，火星大气中的一氧化碳（CO）在碳同位素方面显示出与二氧化碳（CO₂）不同的同位素特征。具体而言，CO在各个高度上被发现相对于CO2而言贫乏了重碳同位素¹³C。这种同位素分馏被归因于CO₂的光解作用。在标准涡流扩散条件下，CO中δ¹³C（同位素组成的度量）的最小值约为-170‰。这一发现的含义非常重要。火星大气中观察到的CO的同位素组成与一个假设相一致，该假设认为分馏的大气中CO是导致在火星沉积物中发现的¹³C贫化有机碳的产生原因。这与“好奇号”探测车的发现一致，该探测车在火星表面发现了这种有机物。这个过程涉及将CO转化为有机材料，然后将其沉积到行星表面。

 此外，研究探讨了所报道的CO的光解和运输诱导的同位素分馏的更广泛影响。当与火星大气的现代分馏以及以前关于碳逃逸到太空的研究相结合时，这一分馏过程导致了推断大气损失量的约15％。令人兴奋的是，火星大气中分馏的CO同位素组成为未来的观测提供了希望。诸如ExoMars痕量气体轨道飞行器（TGO）和地面望远镜等任务可能会探测到这种独特的同位素特征。此外，研究表明，火星月球探测（MMX）任务在未来可能会探测到由分馏的碳相关物种产生的逃逸离子物种。

 总之，由日本东北大学Tatsuya Yoshida及其团队领导的研究在我们理解火星大气组成、有机起源和历史变化方面迈出了重要一步。大气中碳同位素的特征作为一种宝贵的示踪物，为我们提供了了解这颗行星过去及其支持生命潜力的深刻洞察力。随着人类在火星上继续探索和发现的旅程，像这样的研究为揭示火星的秘密和拓展天体生物学的视野铺平了道路。

图1. 每种化学物质的数量密度分布

原文信息：Tatsuya Yoshida, Shohei Aoki, Yuichiro Ueno, Naoki Terada, Yuki Nakamura, Kimie Shiobara, Nao Yoshida, Hiromu Nakagawa, Shotaro Sakai, Shungo Koyama. (2023). Strong Depletion of 13 C in CO Induced by Photolysis of CO2 in the Martian Atmosphere, Calculated by a Photochemical Model. The Planetary Science Journal, 4(3), 53. DOI:10.3847/PSJ/acc030"