火星周围笼罩着一层稀薄的大气层，其中的主要成分是二氧化碳——大气层因过于稀薄，无法避免水冻结或快速蒸发。但是，科学家根据地理学证据断定古老的火星比之今日要更加温和湿润。多位研究人员曾提出，该行星曾被非常厚的二氧化碳大气层笼罩着，使得气候非常温和。几十年来，“那些碳都去了哪里”仍是一个未解之谜。

火星的大部分古老大气都被太阳风剥离，时至今日，太阳风仍以每天数吨的速度不断剥离。但令科学家困惑的是，为什么目前仍未发现更多以碳酸盐（火星岩石中）形式存在的碳。他们也一直在力图解释现代火星大气中较重碳元素和较轻碳元素之间的比例。

加州理工学院和NASA喷气推进实验室（均位于帕萨迪纳市）的科学家小组今日在《自然通讯》杂志上发表了一篇文章，对“消失的”碳做出了解释。

他们认为，38亿年前，火星大气的密度原本可能较为适中。这种大气——表面压力等于或小于地面上的压力——演变成了现在这种稀薄的大气。文章不仅解释了碳“消失”的问题，还与观测到的碳13与碳12的比例相一致。碳13和碳12的唯一区别在于碳核中的中子数量。“我们的文章说明，从密度适中的大气演变成现在这种稀薄的大气是完全可能的，”主笔人、加州理工学院博士后研究员胡伦宇说。“令人兴奋的是，我们所掌握的关于火星大气的信息现在终于可以拼接成一幅连贯的演变图。”

在考虑早期火星大气如何演变成现在的状态时，我们需要知道，可能存在两种物理过程清除了多余的二氧化碳。也就是，二氧化碳融进了岩石矿物，即碳酸盐，或消失在了太空中。

2015年8月的一项研究使用了多个火星轨道飞行器的数据查找碳酸盐，发现约38亿年前古河道网比较活跃期间，向上半英里（一公里）或地壳附近的区域均不含有早期较厚大气层中消失的碳。

逃逸到太空的假设也存在着疑问。因为很多过程都可能改变大气中碳13与碳12同位素的相对数量，“我们可以将这些不同时间点的比率测量值用作标记，来精确推断以前的火星大气发生了什么，”胡伦宇说。陨石含有火星深处火山喷发所释放的气体，而第一个约束就是由这些陨石中的比率测量值所设定的，借此可洞悉原始火星大气层最开始的同位素比率。现在的比率是由NASA好奇号火星车上的火星样本分析（SAM）仪测得的。

二氧化碳从火星大气层逃逸到太空的一种方式是“溅射”，其中涉及到了太阳风和高层大气的相互作用。NASA火星大气与挥发演化（MAVEN）任务最近发现的结果表明，每秒大约有四分之一磅（约100克）的颗粒通过该过程被剥离出今天的火星大气层，这可能就是大气消失的主要驱动因素。溅射过程中消失的碳12略高于碳13，但该影响无足轻重。好奇号火星车的测量表明，今天的火星大气含有的碳13（与碳12相比）比单一溅射影响下的含量要高，所以其中肯定还有其他过程在发挥作用。

胡伦宇和他的合著者发现了一种物理过程，它可能极大地促进了碳13的富集。在该过程中，太阳紫外（UV）线首先穿透高层大气中的二氧化碳，使二氧化碳分解成一氧化碳和氧。然后，紫外线又穿透一氧化碳，将其分解成碳和氧。以这种方式产生的部分碳原子有足够的能量得以逃离大气层，并且新的研究表明，碳12逃逸的可能性要远远高于碳13。

研究人员通过模拟该“紫外光解”过程的长期影响，发现通过该过程实现的一小部分逃逸非常明显地体现在了碳同位素中。研究人员也因此推测38亿年前的大气层表面压力可能小于今天的地球大气层。

“这解决了长期以来的悖论”，加州理工学院和喷气推进实验室的Bethany Ehlmann说，他也是今天的文章和八月份一期碳酸盐相关文章的合著者。“假定的较厚大气层似乎暗示着你需要这么大的表面碳库，但紫外光解过程的效率却意味着实际上并不存在悖论。你可以使用我们所理解的常规消失过程，并借助探测到的碳酸盐含量信息，然后找到一个说得通的火星演变假设。”

图示为碳元素在火星内部、表面岩石、极冠、水域和大气层之间的交换路径，碳元素从大气层中消失的物理过程，以及该过程对同位素比率的强烈影响。