[论文解读] 3-D Global modelling of the early martian climate under a dense CO2+H2 atmosphere and for a wide range of surface water inventories

Martin Turbet, F. Forget|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

Planetary Science and Exploration参考文献 82被引用 8

一句话总结

本研究利用三维全球气候模型，模拟了稠密CO₂+H₂大气下早期火星的气候状况，结果表明，H₂与CO₂的温室效应可产生与观测到的河谷网络及撞击坑湖一致的降雨模式和地表径流，前提是结合调整后的地形和水储量。结果支持CO₂+H₂作为早期火星气候变暖及流水活动的可行机制。

ABSTRACT

CO2+H2 greenhouse warming has recently emerged as a promising scenario to sufficiently warm the early martian surface to allow the formation of valley networks and lakes. Here we present numerical 3-D global climate simulations of the early martian climate that we have performed assuming dense CO2+H2 atmospheres. Our climate model, derived from earlier works by Forget et al. (2013) and Wordsworth et al. (2013), is coupled to an asynchronous model of the long-term evolution of martian glaciers and lakes. Simulations were carried out at 40° obliquity to investigate how (i) water content and (ii) H2 content (added to 1 or 2 bars of CO2) can shape the climate and hydrologic cycle of early Mars. We show that the adiabatic cooling mechanism (Wordsworth et al. 2013) that leads to the accumulation of ice deposits in the southern highlands in cold climate (the so called 'icy highland scenario') also works in warm climates, with impact crater lakes acting as the main water reservoirs. This produces rainfall mainly localized in the southern highlands of Mars. If one adjust (i) the amount of CO2 and H2, (ii) the size and location of the water reservoirs, and (iii) the ancient topography (i.e. by removing Tharsis), the spatial patterns of surface runoff (from rainfall or snowmelt) in the simulations can match -- with a few exceptions -- the observed distribution of valley networks and impact crater lakes. Although our results are obtained for CO2-dominated atmospheres enriched with H2, they should also apply to assess the impact of any combination of powerful long-lived greenhouse gases on early Mars.

研究动机与目标

• 探究CO₂+H₂温室效应是否能产生与早期火星诺阿希安期河谷网络及湖泊形成相一致的气候条件。
• 评估地表水储量与H₂浓度在塑造全球水文循环及降水模式中的作用。
• 评估古代地形（特别是塔尔西斯火山的缺失）对地表径流分布与湖泊形成的影响。
• 确定由CO₂+H₂驱动的温暖湿润气候是否能再现火星表面观测到的流水地貌空间分布。
• 探讨H₂作为长期温室气体在维持早期火星液态水存在的可行性，尽管存在大气逃逸与反照率反馈的潜在影响。

提出的方法

• 采用基于Forget等（2013）与Wordsworth等（2013）研究的三维全球气候模型，并针对早期火星条件进行调整。
• 将大气模型与长期冰川与湖泊演化异步模型耦合，以模拟水体储存动态。
• 在23°倾角条件下进行模拟，以研究不同CO₂（1–2 bar）与H₂（最高100 mbar）浓度下的气候响应。
• 采用Turbet等（2020a）提供的CO₂+H₂改进碰撞诱导吸收（CIA）数据，提升辐射传输计算的准确性。
• 调整地表水分布与地形（如移除塔尔西斯），以测试地表径流与降水模式的敏感性。
• 将模型输出与地质约束条件进行对比：河谷网络位置、撞击坑湖盆地分布，以及封闭盆地与开放盆地湖泊的分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 CO₂+H₂温室效应能否产生足够的地表温度，以允许早期火星上液态水流动？
• RQ2 不同水储量与H₂浓度如何影响降水与地表径流的空间分布？
• RQ3 在调整后的古代地形（如塔尔西斯形成前）条件下，模拟的地表径流模式与观测到的河谷网络在多大程度上可实现一致？
• RQ4 为何模拟中的撞击坑湖多在高原地区发生溢流，与实际观察中封闭盆地湖占多数的现象相矛盾？
• RQ5 冰反照率反馈与赤道冻土悖论对维持流水活动所需H₂浓度有何影响？

主要发现

• 此前与寒冷气候相关的绝热冷却机制，在温暖的CO₂+H₂气候中同样存在，导致南半球高地积冰。
• 降雨主要集中在南半球高地，撞击坑湖在温暖模拟中成为主要的水体储存库。
• 在调整后的CO₂（1–2 bar）、H₂（最高100 mbar）及地形（如无塔尔西斯）条件下，模拟的地表径流模式与观测到的河谷网络及湖泊分布基本一致，仅有少数例外。
• 在玛尔格丽塔里斯区附近存在河谷网络的现象，与假设塔尔西斯在河谷网络形成之后才出现的模型结果一致。
• 诺阿基斯地盾等区域缺乏河谷网络的现象，可通过假设希腊平原盆地未形成全球性海洋来解释。
• 高原地区降水强度高，导致撞击坑湖频繁溢流，与地质观测中封闭盆地湖多于开放盆地湖的事实相矛盾。