多年的火星就位探测和陨石分析发现，火星表面普遍存在氯氧化物（ClOx-）。高氯酸盐（ClO4-；Cl为+7价）和氯酸盐（ClO5-；Cl为+5价）是氯氧化物的两种稳定形态。氯氧化物可以使水在-70°C依然保持液态，参与火星表面的氧化还原过程，还可作为某些微生物的能量来源等等。弄清火星上氧氯化物的主要形态、分布特征和环境效应，对火星土壤-大气界面的氯循环以及火星有机物探测、未来载人探火的危害评估和就位资源利用等有着重要意义。
中科院地球化学研究所月球与行星科学研究中心赵宇鴳团队，联合国内外物理化学和行星科学领域学者，针对火星氯氧化物形成及其环境效应开展了系列研究，取得重要进展。
利用中心自有的火星表面过程模拟实验平台，研究团队开展了ClO4-和ClO3-生成比的控制因素的实验研究。结果表明，氯离子（Cl-）的物态（即固态、液体或气体）及其共存矿物的特性（例如，半导体、比表面积和酸性等）是控制ClO4-/ClO3-生成比的主要因素，而氧化剂类型（紫外辐照或臭氧）和大气组成（地球大气或火星大气）仅是次要因素。亚马逊纪以来，火星干旱气候及广泛分布铁（氢）氧化物，会使火星表面产生高出ClO4-多个数量级的ClO3-，从而凸显出氯酸盐在现代火星表面环境和宜居性讨论中的重要性。这一成果2月8日发表在国际期刊Nature Astronomy（《自然·天文》）上。
图1 ClO4-或ClO3-在火星不同环境中生成的主导特征
借助超低温相图和火星全球气候模拟手段，研究团队针对火星北极土壤中检测到的高含量高氯酸盐（ClO4-）和高ClO4-/Cl-比值的成因机制开展了深入研究。结果表明，在火星北极低温干旱环境和风沙物质交换的协同作用下，土壤中的氯盐会通过低温水汽潮解作用或冰共熔作用形成具有特定高ClO4-/Cl-比的卤水，从而导致火星北极表土中持续产生和保存具有高ClO4-/Cl-比特征的含氯盐分。这一发现展示了火星北极环境对于全球氯循环的独特控制作用。高ClO4-/Cl-比并非火星全球的普遍特征，而可作为示踪火星冰冻干旱环境中潮解作用的重要化学指标。这一成果2月4日发表在国际期刊Communications Earth & Environment（《通讯-地球与环境》）上。
图2 火星北极高氯酸盐与氯盐的分馏机理示意图
论文信息：
Shuai-Yi Qu, Yu-Yan Sara Zhao*, He Cui, Xiu-Zhen Yin, W. Andrew Jackson, Xin Nie, Zhong-Chen Wu, Jun-Hu Wang, Di-Sheng Zhou, Chao Qi？, Xiong-Yao Li & Jian-Zhong Liu？. Preferential Formation of Chlorate over Perchlorate on Mars Controlled by Iron Mineralogy. Nature Astronomy (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-021-01588-6
Dongdong Li, Yu-Yan Sara Zhao*, Pierre-Yves Meslin, Margaux Vals, Fran？ois Forget & Zhongchen Wu. Cryogenic origin of fractionation between perchlorate and chloride under modern Martian climate. Communications Earth & Environment, 3, 15 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00345-5
研究成果得到中科院行星科学先导B项目（XDB 41000000），国家自然科学基金面上项目（No. 41703064, 41673072, 42173045, 41573056），民用航空航天技术预研项目（No. D020102），中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（No. IGGCAS-201905），中科院西部之光项目，国家重大科学仪器设备开发专项资助项目（2012YQ090229），山东省科学仪器升级改造项目（2012SGGZ18），国家自然科学基金（No. 42173045, 41573056），中科院国际伙伴计划项目（Grant No.121421KYSB20170020），国家自然科学基金（No.41931077），中科院民用航空航天技术预研项目（D020201），中国科学院青年创新促进会（Y201867）及中科院前沿科学重点研究计划（Grant No. QYZDY-SSW-DQC028）的联合资助。
（月球中心 赵宇鴳/供稿）