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火星上的水和大气是如何消失的?

2020-08-28 16:14   来源: 科普中国   编辑: 陈玲   责任编辑: 高赛琦

随着人类社会的不断发展,我们对地球资源的开采力度逐渐增大,地外资源的开发和利用就必不可少。火星与地球一样处于太阳系中的宜居带内,作为距离地球最近的星球之一,由于其独特的地形地貌,以及与地球类似的某些物理特性,引起了人类对火星探测的浓厚兴趣,火星多年来也一直被科学家们视为人类移民的首选星球。要想了解人类在火星上是否可以生存,就要了解火星的环境,而其中,水和大气是最为重要的两大要素。

大约在40亿年前,地球的近邻,红色星球——火星,曾经历了温暖湿润的时期,那时,火星有较厚的大气层,地面也有河水流淌,一些科学家认为,这种环境使得早期火星成为非常特别的星球——它曾是一颗有机会孕育出生命的行星。

地球与火星(图源:NASA)

但今天,我们观测到的火星十分干旱,早已不见曾经的湿润景象,只剩下遍布的火山、无垠的沙漠以及幽深而干燥的裂谷,液态水无法稳定地存在于火星表面,主要就是因为火星的大气层太冷太薄不能维持住水分。不过,火星表面干燥的河床,和只能由液态水的存在而形成的矿物质等证据都表明,古代火星的气候与现在截然不同,当时应该足够温暖,大气层的厚度足以保持水分,很长的一段时间内都有河水在地表流淌。那么,火星上的水和大气去哪了,今天就让我们来一探究竟。

水的消失:深埋地表or逃出火星?

为了探测火星上与水和生命有关的信息,至今人类已经发射了约50颗火星探测器。从这些探测器发回的图片我们可以看到,现在的火星表面保留了河床、三角洲、峡谷以及湖盆等可能由地表水活动形成的地貌,说明火星在远古史时期有大量地表水存在,且其对火星地形的塑造起了重要作用。

火星的水去了哪里呢?

关于火星表面水的消失过程,科学界有两种观点,一是认为火星表面的水以沉积岩的形式存在于火星地表以下;另一种观点认为,由于缺少全球性偶极磁场的保护,强烈的太阳风和辐射逐渐剥夺了火星的大气,水经过蒸发和电离变成带电粒子,沿着火星磁力线逃逸出火星大气。

“火星快车”(mars express)上搭载的“火星先进地下和电离层探测雷达系统”(MARSIS)对火星地表以下的开展精细探测,发现在火星南极高原的冰盖下1.5km深处存在直径为20km的湖泊,这项发现表明火星表层深处可能存在更多稳定的液态水,即火星拥有适合微生物等生命体生存的条件。

2011年,美国的“火星勘察轨道器”(mars reconnaissance orbiter, MRO)搭载的“高分辨率成像仪”(HiRISE)拍摄到火星表面或亚表层存在季节性斜坡纹线,经光谱分析,季节性斜坡纹区域的矿物是溶于水后再沉淀富集而成,这个结果提供了现今火星上存在液态水的有力证据。

2018年,科学杂志发表Dundas 等人的研究成果,他们在对火星中纬度地区的八处断崖地貌进行分析研究之后,发现火星中纬区域的地下1~2米至100多米存在大量的纯净水冰。

被太阳风“偷走”的火星大气层

前面已经提到,科学界存在一种观点:缺少全球性偶极磁场的保护的火星,在强烈的太阳风和辐射下,它的大气被逐渐剥夺。已有的研究也表明,火星的大气层不是原生大气层,而是在火星演化过程中由火星内部的脱气过程而形成的次生大气层。很久以前,火星被一层厚厚的大气层笼罩。而现在的火星大气却变得非常稀薄,科学家们对此进行了深入的研究。

2013年11月,NASA发射了“火星大气与挥发物演化任务”(MAVEN)探测器,它的使命是调查火星大气失踪之谜,并寻找火星上早期拥有的水源及二氧化碳消失的原因。入轨一年后,NASA披露了MAVEN火星探测器关于火星大气层稀薄的两大原因:

第一,磁层作用影响大气层:地球具有内禀磁场,太阳风与地球磁层相互作用形成磁层顶,可阻止太阳风和宇宙辐射射线的进入,防止地球大气的逃逸,充当了地球的“保护伞”。但火星的磁场很弱,约为地球磁场强度的万分之一,太阳风可以直接抵达火星,“袭击”火星的大气层,NASA认为是太阳风“偷走”了火星的大气层。

第二,引力束缚影响大气层:引力的大小影响了分子的逃逸速度,火星的逃逸速度约为5.03km/s,同时太阳风的带电粒子撞击大气层中的分子,让分子具有更高的速度,使大量气体逃逸出火星大气层。

MAVEN火星探测器(图源:NASA)

目前火星的大气层分为低层大气和高层大气,由二氧化碳、氮气、氩、氧气、一氧化碳等组成,其中主要成分为二氧化碳,体积比占95.32%,而氧气只占0.13%。火星大气逃逸主要发生在三个区域:一是太阳风吹到火星背面,占大气逃逸总量的75%;二是极区上空,占大气逃逸总量的约25%;三是绕火星的延展云层,仅占大气逃逸总量的很小部分。

尘暴(dust devil)(图源:NASA)

火星磁场的消失,导致太阳风不光吹跑了火星的一些大气,部分水也跟着“丢了”。火星现在十分干旱,火星风与尘暴频繁,火星风的平均风速达4.3m/s,在地形交界处的风速可高达50m/s,且常常伴有强烈的尘暴,这也加速火星大气的剧烈运动和逃逸。

火星的探测还有必要吗?

为了探测火星,我们人类“用心良苦”,在已经得知火星水源稀缺、大气稀薄的情况下,继续探索火星有什么用呢?未来的火星探测又会有哪些亮点呢?

首先,火星上的水与大气的演化是一个非常复杂的过程,综合作用因素很多,为了解这个过程及特征,揭开火星的神秘面纱,还需对火星大气层成分进行更进一步的探测和研究。

其次,火星上的水冰忠实记录着火星过去的气候和地质历史,可以帮助我们深入理解火星历史气候变化,反演火星的形成与演化,追溯火星生命存在的痕迹。

另外,水冰是可以作为将来登陆火星的宇航员和火星移民的补给来源,更可以和二氧化碳(火星大气中的主要成分)进行反应,产生可供人类呼吸的氧气和可供作为火箭推进燃料的甲烷。只不过,唯一的问题是,既想着陆器获得足够的太阳能供给,又想着陆器着陆在一个富含水冰(纬度不太低)的地方,实在是挺难的!

自20世纪60年代以来,国际上已实施多次火星探测任务。尤其是在2015年NASA正式宣布确认火星表面存在季节性液态水以后,寻找火星生命痕迹和加深对火星地质演化和环境宜居性的认识,成为人们关注且亟待解决的重要科学问题。

2020年是全球火星探测活动非常密集的年份,美国的“毅力号”(Perseverance)火星车,阿联酋的“希望号”(Hope)轨道飞行器,和中国的“天问一号”首次火星探测任务都将飞往火星,去探究火星的水、大气以及生物宜居性的问题。火星探测将是中国行星探测的第一步,是深空探测领域从月球到行星的发展历程中承前启后的关键环节,也是未来迈向更远深空的必由之路。

参考文献:

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原标题:火星上的水和大气是如何消失的?

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