随着人类社会的不断发展,我们开发地球资源的力度逐渐加大,开发利用地外资源至关重要。火星和地球一样,位于太阳系的宜居地带。作为离地球最近的行星之一,由于其独特的地形和一些与地球相似的物理特征,引起了人们对火星探索的浓厚兴趣。多年来,火星一直被科学家视为人类迁徙的首选星球。要了解人类能否在火星上生存,需要了解火星的环境,其中水和大气是最重要的两个要素。

  大约40亿年前,靠近地球的红色星球火星经历了一段温暖湿润的时期。当时的火星大气层很厚,地面上有河流流过。一些科学家认为,这种环境使早期的火星成为一颗非常特殊的行星——它曾经是一颗有机会孕育生命的行星。

  

 

  地球和火星(来源:美国航天局)

  然而今天我们观测到的火星非常干燥,之前没有见过潮湿的景象,留下的只有火山、无边无际的沙漠和又深又干的裂谷。液态水无法在火星表面稳定存在,主要是因为火星的大气层太冷太薄,无法保持水分。但火星表面的干河床、只有液态水存在才能形成的矿物质等证据表明,古代火星的气候与今天有很大不同。那时候要足够暖和,大气的厚度要足够保持水分。很长一段时间,河流在表面流动。那么,火星上的水和大气在哪里呢?今天就来了解一下。

  水的消失:深埋地表还是逃离火星?

  为了探测与火星上的水和生命有关的信息,迄今为止已经发射了大约50个火星探测器。从这些探测器发回的图片中我们可以看到,火星表面现在还保留着河床、三角洲、峡谷和湖泊,这些都可能是地表水活动形成的,说明古代历史上火星就有大量的地表水,对火星地形的塑造起到了重要作用。

  火星的水去了哪里?

  关于火星表面水的消失有两种观点。一种是火星表面的水以沉积岩的形式存在于火星表面以下;还有一种观点认为,由于缺乏全球偶极磁场的保护,强烈的太阳风和辐射逐渐剥夺了火星大气,水经过蒸发电离成为带电粒子,沿着火星的磁力线从火星大气中逃逸。

  搭载在火星快车上的火星高级地下和电离层探测雷达系统(MARSIS)对火星地表下进行了精细探测,发现火星南极高原冰层下有一个直径20km±1.5km的湖泊。这一发现表明,火星表面可能存在更稳定的液态水,这意味着火星具有适合微生物等生物生存的条件。

  2011年,美国火星勘测轨道飞行器(MRO)携带的高分辨率成像仪(HiRISE)拍摄了火星表面或表面下存在的季节性坡度线。光谱分析后,季节性坡线中的矿物溶解在水中,然后沉淀富集。这个结果为今天火星上液态水的存在提供了有力的证据。

  2018年,科学杂志发表了邓达斯等人的研究成果,他们对火星中纬度地区的八种悬崖地貌进行分析研究后发现,在火星中纬度地区,从地下1 ~ 2米到100多米的地方,存在大量的纯水冰。

  

 

  悬崖形状的例子aa’、bb’、cc’和DD’对应于右下角的四个高程剖面,表明悬崖位于崩塌和滑坡的高处(后缘)。右上角是HiRISE彩色增强图像中悬崖部分的色调差异(来源:参考文献8)

  火星大气被太阳风偷走

  如前所述,科学界有一种观点认为,缺乏全球偶极磁场保护的火星,在强烈的太阳风和辐射下,逐渐被剥夺了大气层。以往的研究也表明,火星的大气不是初级大气,而是火星演化过程中火星内部脱气过程形成的次级大气。很久以前,火星被厚厚的大气层所笼罩。现在,火星的大气层已经变得非常稀薄,科学家们对它进行了深入的研究。

  2013年11月,NASA发射了火星大气和挥发性演化任务(MAVEN)探测器,其任务是调查火星大气消失的奥秘,并找出火星早期的水源和二氧化碳消失的原因。轨道运行一年后,美国宇航局披露了MAVEN火星探测器在火星上大气层稀薄的两个主要原因:

  第一,磁层影响大气层:地球有一个内在磁场,太阳风与地球磁层相互作用形成磁层顶,可以阻止太阳风和宇宙辐射线进入,阻止地球大气层逃逸,充当地球的“保护伞”。但是火星的磁场很弱,大约是地球磁场强度的万分之一。太阳风可以直接到达火星,“攻击”火星的大气层。NASA认为太阳风“偷走”了火星的大气层。

  二、引力束缚对大气的影响:引力的大小影响分子的逃逸速度,火星的逃逸速度约为5.03 km/s,同时太阳风来的带电粒子撞击大气中的分子,使分子具有更高的速度,使大量气体从火星大气中逃逸。

  

 

  火星探测器(来源:美国航天局)

  目前火星的大气分为低层大气和高层大气,由二氧化碳、氮气、氩气、氧气和一氧化碳组成,其中主要成分是二氧化碳,占体积的95.32%,而氧气只占0.13%。火星大气逃逸主要发生在三个区域:一是太阳风吹向火星背面,占大气逃逸总量的75%;第二,在极地上空,约占大气逃逸总量的25%;第三,火星周围的延伸云只占大气逃逸总量的一小部分。

  

 

  尘魔(来源:美国宇航局)

  火星磁场的消失导致太阳风不仅吹走了火星的一些大气,还“失去”了一些水。火星现在非常干燥,火星风和沙尘暴频繁,平均风速4.3m/s,地形交汇处风速高达50m/s,经常伴随着强烈的沙尘暴,也加速了火星大气的剧烈运动和逃逸。

  火星探索有必要吗?

  为了探索火星,我们人类有“好心”。在知道火星水源稀缺,大气稀薄的情况下,继续探索火星有什么用?未来火星探索有哪些亮点?

  首先,火星上水和大气的演化是一个非常复杂的过程,有很多综合因素。为了了解这一过程及其特征,揭开火星之谜,有必要进一步探索和研究火星的大气成分。

  其次,火星上的水冰忠实地记录了火星过去的气候和地质历史,可以帮助我们深入了解火星的历史气候变化,检索火星的形成和演化,追溯火星上生命的存在。

  此外,水冰还可以作为未来登陆火星的宇航员和火星移民的补给来源,可以与二氧化碳(火星大气中的主要成分)反应,产生人类呼吸所需的氧气和火箭推进所需的甲烷。但唯一的问题是,着陆器很难获得足够的太阳能供应,很难在水冰丰富的地方(纬度不太低)着陆。

  自20世纪60年代以来,国际上开展了许多火星探测任务。特别是2015年NASA正式宣布火星表面存在季节性液态水后,寻找火星生命的痕迹,加深对火星地质演化和环境宜居性的认识,成为人们关注和迫切需要解决的重要科学问题。

  2020年,全球火星探测活动非常密集。美国的“毅力”号探测器、阿联酋的“希望”号轨道飞行器和中国的“田文一号”都将首次飞往火星,探索火星的水、大气和宜居性。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发展过程中承前启后的关键环节,也是未来进一步深入深空的必由之路。

  参考文献:

  欧阳自远,肖福根。火星及其环境[J]。航天器环境工程,2012,29(06):591-601。

  [2]贝克,英国广播公司,2006年。火星上水的地貌证据。元素,2(3):139-143。Doi:10.2113、gselements。2.3.139

  [3]麦克斯文。H. Y .,2006。火星上的水。元素,2(3):135-137。Doi:10.2113/gselements。2.3.135

  [4]麦克尤恩,A. S .,汉森,C. J .,德拉米尔,W.A .,等,2007年。近距离观察火星上与水有关的地质活动。科学,317(5845):1706-1709。doi:10.1126/理科1143987

  林。探索火星环境与生命[J]。《自然杂志》,2016,38(01):1-7。

  [6]火星上首次发现液态水湖[J]。发明与创新(大科技),2018(08):24

  [7]奥哈·L,威廉·M·B,穆奇·S·L,等.火星上重复出现的斜坡线中水合盐的光谱证据[J].《自然地球科学》,2015,8(11):829-832,doi:10.1038/ngeo2546。

  [8]邓达斯·C·M,布拉姆森·A·M,奥赫·L,等.火星中纬度地区暴露的地下冰盖[J].《科学》,2018,359(6372):199-201。

  欧阳自远,肖福根。火星探测中的重大科学问题[J]。航天器环境工程,2011,28(03):205-217。

  [10]太阳风“吹”掉了火星的“外衣”[J]。中国科学技术奖,2015(12):71-73。

  [11]为什么火星最迷人[J]。科学之友,2019(09):8-9。

  余邓云,孙泽洲,孟林芝,史东。火星探测的发展历史和未来展望[J]。《深空探测杂志》,2016,3(02):108-113。