每日科普｜揭密火星內部世界

在目前已知的太陽系八大行星中，水星、金星、地球和火星統稱為「類地行星」。「類地」可以理解為類似地球的意思，因為它們和地球一樣，外殼是固體表面，主要由巖石類物質構成。這類行星的內部都有類似雞蛋一樣的分層結構，火星也一樣，從裡到外可以簡單地分為三層，即火星核（蛋黃）、火星幔（蛋清）和火星殼（蛋殼）。

火星（上）和地球（下）的內部結構 圖片來源：視覺中國

為什麼會形成這樣的分層結構？

我們可以用四個字來生動地解釋這個過程——「行星分異」。這聽起來似乎很難懂，但簡單說來就是：重的物質不斷下沉，輕的物質不斷上浮。當然，並不是所有天體都會「分異」，要個頭足夠大才行，體積太小就沒有足夠的能量來維持熔融狀態和分異過程。

宇宙中的一切自然物質都是由多種元素組成，其中一些天然元素具有放射性，這些放射性元素很不穩定，在自然狀態下會不斷地放出粒子或射線，最終衰變成穩定的元素而停止放射。行星在形成之初，其內部的放射性元素在衰變過程中產生的熱能，再加上行星在成長過程中的動能轉換成的熱能，都會讓行星內部不斷地被加熱。

火星的個頭雖然不是最大的，但也「達標」了，這樣使得它在形成過程中不再靜止不變，而是不斷地被加熱。體積越大的巖石類行星，所產生的熱量就越大，大到足以讓行星將自身「熔融」，從而造成行星內部物質的「分異」。

由於鐵等金屬類物質較重，它們會逐漸向中心「下沉」形成金屬內核，而矽酸鹽類物質較輕，會「上浮」形成原始的幔層。此後，還會繼續分異，含有更輕元素的矽酸鹽物質會浮到最上面形成殼層，最終形成「核、幔、殼」的分層結構。當然，實際的分層情況非常複雜，遠不止簡單的核幔殼三層結構。

相對於經歷了46億年漫長演化的地球而言，火星的個頭還是太小，內部的熱能沒能維持太長時間，在35億年前就早早地冷卻了，也因此可能很好地保留了早期演化的信息。通過了解火星的內部結構，可以追溯類地行星，甚至整個太陽系行星的形成和演化。

火星的內部結構究竟是怎樣的？

根據已發射的火星探測器的探測結果和模型計算，一般認為火星殼和火星幔都是由含矽酸鹽的巖石類物質構成，火星殼的厚度約10~50千米，火星幔的厚度約1700~2100千米。火星核主要由鐵鎳金屬組成，可我們還不知道它是固態還是液態。目前的研究認為，火星核不太可能是液態。因為如果火星核現在仍是液態，那裡面的溫度必然很高，這樣才能保持熔融狀態，而液體就會導電，也會流動，但目前的證據都不支持這些「狀態」。

那麼，火星的內部結構，尤其是內核到底是怎樣的？

謎底即將揭曉，因為此時此刻，有一個小傢伙正在火星表面努力地工作著。即2018年5月美國國家航空航天局發射的「洞悉號」探測器，專門研究火星的內部結構：其攜帶的科學儀器「火星內部結構地震儀（SEIS）」，會傾聽火星的心跳，記錄下火星內部的每一次震動和小行星撞擊事件；「熱流和物理特性探測包（HP3）」將鑽孔到火星表面5米以下，測量火星內部的溫度；「自轉和內部結構實驗裝置（RISE）」將測量火星自轉產生的擺動等。

在同年11月抵達火星後，「洞悉號」已在火星上忙活了一年多，但這還不夠，想要知道火星內核的信息，需要數個火星年的數據才能更準確地進行判斷，而火星的一年（687天，相當於1.88個地球年）大概相當於地球的2年。所以我們還要再耐心地等上一段時間。

寫在最後

40多億年前，地球和火星等類地行星都由相似的初始物質構成，為什麼後來卻大不相同？地球自形成以來就一直處於不斷的演化之中，其早期的分異和形成過程對於認識地球的構造和演化規律至關重要，但相關信息已經被長期的板塊構造活動和風化作用等破壞殆盡。而火星內部可能很好地保留了這些早期演化的信息。

通過比較地球與火星的內部結構，有助於我們更好地理解40多億年前地球等類地行星的早期狀態和演化規律。期待未來的探測和研究能夠解答更多的謎團。

（作者單位：中國科學院月球與深空探測總體部 中國科學院國家空間科學中心）

責任編輯：陶薩麗慶