美國宇航局的MAVEN任務圓滿成功，火星大氣消失之謎終於得以解開

2020-08-10 天文在線

在很多方面，火星是我們近距離觀察過的最像地球的行星。火星的歷史上曾經出現過水，有大量的侵蝕、沉積巖，火山，雲，冰蓋，沙丘和乾涸的河床等特徵。那裡有完整的地質歷史，可以說和我們的星球一樣有趣。

但是，由於火星的直徑只有地球的一半，質量只有地球的百分之幾，而且它與太陽的距離也比地球大得多，因此它的命運與地球非常、非常不同。火星已經變得寒冷、乾燥，而且非常、非常的荒涼，然而在我們的星球上，生機勃勃的海洋中出現了各種生物。即使在火星表面新發現了液態水，也無法改變火星的演化方式與地球極其不同這一事實。雖然不完全了解這是如何發生的，但是我們有理由去擔心：地球有一天會步入火星的後塵，最終變成一顆荒蕪星球，那些倖存下來的生命只能轉移到極端的地方，而不像現在這樣無處不在。

來源： NASA

美國國家航空航天局的Maven(火星大氣與揮發物演化任務)就是要弄清楚火星是如何變成這樣的。通過測量火星大氣如何與太陽相互作用，原子和離子——這些粒子是如何被吹離火星並消失在太空深處的，通過研究太陽風、極光和其他大氣效應，我們不僅可以得知火星目前正在發生怎樣的變化，還可以弄清楚它是怎樣變成一個如此荒涼的的世界。此外，專家號於2013年發射，具備與火星軌道上的漫遊者號、著陸者號和其他衛星通信的能力，這意味著它可以同時從多個點提取有用的數據，而不用向地球發射需要20分鐘才能返回火星的信號。

圖解：海盜號（英文：Viking 1）是美國國家航空航天局維京號計劃中兩艘飛往火星中的第一艘。

來源© NASA / Viking 1

之前，Maven(火星大氣與揮發物演化任務)的代表團宣布了他們的第一個科學結果，我們的發現極大地證實了我們的預期，以及一些令人難以置信的精確細節：在太陽系最初的幾億年裡，火星擁有豐富而活躍的水，有海洋、河流、降雨等等。但是，在火星形成後不到十億年的某個時間點，它的全球磁場不復存在，保護星球不受太陽風侵害的主要力量也就消失不見了。

通過對火星大氣頂層的測量，我們得知太陽風中快速移動的粒子大部分都是質子——撞擊這顆紅色星球的速度約為每小時100萬英裡(44.7萬米/秒，約為光速的0.15%)，速度之快令人難以置信。

這些與火星發生碰撞的粒子速度非常快，所以他們有足夠的能量逃離火星的引力；目前，火星每一秒大約會失去100克(四分之一磅)大氣。

圖解：太陽風與火星高層大氣相互作用，但由於全球磁場(藝術家的概念)而偏離地球。

來源：NASA

此外，火星的大氣層和地球的大氣一樣，偶爾也會被太陽耀斑/風暴撞擊。不同的是，我們的磁場可以將這些粒子吸入兩極，形成極光，而火星上沒有全球磁場，這就意味著在星球上的任何地方都可以感受到風暴！即使是在風暴很弱的時候，大氣的損失率也會增加10到20倍（這意味著你每秒損失的不是1 / 4磅的大氣，而是每一秒鐘都遭受著極大的損失），到了晚上，在這顆星球表面的一個地方都可以看到極光，這是非常壯觀的。

在太陽風暴(右)期間，與正常的太陽風條件(左)相比，火星的大氣損失急劇增加。

來源：NASA

我們還了解到大氣的流失是漸進的，要花上幾千萬年的時間，這意味著兩件重要的事情：

如果在火星的早期有生命存在的話，我們有理由相信，在大氣逐漸變化的過程中，它們已經進化到可以找到一個合適的位置，甚至可能生存到今天。

如果我們決定通過人工創造一個稠密的大氣層來改造火星的話，那麼在我們需要補充它之前，它可以存在數百萬年。

有趣的是，如果我們不對火星進行任何幹預，就目前火星大氣損失率來看，在20億年之後，火星將會丟失所有的空氣，變成一個類似水星或月球的世界。

圖解：這些數據基於維基百科上太陽系天體大小的列表

來源：Imgur user stopitcharlesgetoutofmyhead

除此之外，在過去可能還有其它因素在起作用，但Maven也不能告訴我們。如果火星被小行星撞擊過，這可能使它失去相當多的大氣；如果太陽耀斑在太陽系早期更普遍的話（它們應該是這樣，但我們不知道），那麼早期的大氣損失可能會更多；其他因素如濺射、熱逃逸和光化學過程也可能導致大氣損失。Maven只告訴我們了一部分;這恰好也是我們認為最主要的一個因素。

好消息是，就像機遇號火星探測車一樣，Maven的表現不僅完全符合預期，而且在某些方面甚至超過了它的設計效益。它帶給了我們兩個巨大的驚喜：其一是瀰漫分布在整個星球的極光，另一個是一種被稱為「瞬態金屬層」的現象，這是我們在星際塵埃與火星碰撞時所看到的，它在火星上層大氣中留下了一層富含重元素(主要是金屬)的薄層。隨著任務的繼續，我們一定會得知更多的信息。

來源：NASA

請注意，這對我們來說是一個好消息：地球上的磁場在短期內沒有消失的跡象。它的核心能量可能發生翻轉和反轉，即南北極交換，但在可預知的未來（至少在幾十億年裡是肯定的），我們應該會繼續受到保護，不會遭受太陽風的侵害。我們可以想像，有一天我們會遭受和火星一樣的命運，但在那之前，我們很可能會被炎熱的太陽烤焦。

作者: startswithabang

FY: Voyager

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