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火星表面的線索與謎團(tuán)

 自然科學(xué)探索 2018-01-05

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 譯 程思淼

HiRISE拍攝到的火星上的坑洞。圖片來源:APOD

柯文采
(Thijs Kouwenhoven)

西交利物浦大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)系

什么造就了“死行星”與“活行星”,?

目前,,科學(xué)研究清楚地表明,火星是一顆死行星,??墒牵瑤讉€世紀(jì)之前,,在沒有大望遠(yuǎn)鏡和空間探測器的時候,,天文學(xué)家曾懷疑火星上有生命,,而且相信,他們的觀測表明事實確是如此,。

意大利天文學(xué)家喬萬尼·夏帕雷利(Giovanni Schiaparelli)是最早對火星表面進(jìn)行詳細(xì)研究的人之一,。他描述了他稱之為“canali”(意大利語)的地貌。雖然這個詞的本義是(自然的)“溝”,,但它卻經(jīng)常被誤譯為英語的“canals”,,即(人工的)“運(yùn)河”,暗示著它們是由某些地外文明所建造,。這些“canali”的樣子會隨季節(jié)而變化,;人們解釋說,這是植被在不同季節(jié)的消長,。

現(xiàn)在我們知道,,這些解釋都錯了?;鹦巧蠜]有生命,。火星上甚至沒有水——至少沒有發(fā)現(xiàn)大規(guī)模液態(tài)水,,它的大氣也很薄,。正如我們所知,火星并不適于居住,。但是另一方面,,火星又因過去可能擁有生命而聞名,因為有大量的證據(jù)表明,,在遠(yuǎn)古的火星上,,海洋、河流,、雷暴等等是很常見的,。

行星科學(xué)中一個重要的問題是:什么樣的自然過程為地球上生命的起源提供了條件?換句話說,,為什么地球是太陽系中唯一擁有生命的行星?對這些物理過程進(jìn)行研究,,也就有可能預(yù)測,,有多少地外行星會演化出與地球相似的物理化學(xué)條件。行星科學(xué)為解釋我們?yōu)槭裁丛诘厍蛏铣霈F(xiàn)提供了一些線索,。

希臘平原(Hellas Planitia)是火星上已知最大的撞擊坑,。它位于火星南半球,直徑約23 00千米,,深度超過7200米,。在它的邊緣有河流與冰川曾經(jīng)存在的證據(jù),。數(shù)十億年前,這里或許曾是一個巨大的湖,。湖中甚至可能存在著原始形式的生命,,不過到目前為止,這還只是人們的猜想,。圖片來源:Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA)

火星與地球在軌道與物理條件方面的主要差異

接下來,,我主要關(guān)心的是火星與地球表面特征的相似與差異之處。正是這些特征使我們能夠重建火星過去的形象,。在此之前,,我想先指出火星與地球的兩個主要的不同之處,正是它們?yōu)榛鹦菐砹瞬煌诘厍虻娜蜓莼?/p>

1.由于距太陽比較遠(yuǎn),,火星受到的日照只有地球的40%,,因此溫度也低得多?;鹦堑墓D(zhuǎn)軌道比地球扁得多,,因此在一個火星年中,日照總量會有明顯的不同,。同地球一樣,,火星的自轉(zhuǎn)軸也是傾斜的,因此它的表面也有冬夏交替,?;鹦堑淖赞D(zhuǎn)周期是24小時37分鐘,因此一個火星日跟地球的一天幾乎相同,。

2.火星是一顆化學(xué)組成與地球相似的類地行星,,但它比地球小。這意味著火星的引力要更弱,,因此火星大氣中的很多分子,,包括水分子,都從火星表面逃逸了,,只留下一個稀薄而干燥的大氣層,。(與地球相比)較小的引力還意味著,火星上的山可以更高,,谷可以更深,,而不會由于自身的重量而坍塌?;鹦禽^小的尺寸也使得它核心處的熱量更容易散失,,因為從熾熱核心到寒冷表面之間的距離更短了。因此,與內(nèi)部仍然保持熾熱的地球不同,,火星的內(nèi)部已經(jīng)冷卻,,與熾熱核心相連的各種物理過程也隨之衰弱?;鹦巧系幕鹕胶桶鍓K活動很有限,,全球磁場已經(jīng)消失。

火星歷史的地質(zhì)學(xué)線索

直到最近幾十年,,我們才具備了詳細(xì)研究火星的能力,。不過,雖然時間不長,,研究者還是重建了火星自誕生以來的歷史,。三種科學(xué)方法起了重要作用:

1.使用望遠(yuǎn)鏡、空間探測器和火星登陸探測器進(jìn)行準(zhǔn)確的探測,;

2.使用計算機(jī)模擬技術(shù)建立物理模型,;

3.用的東地西球。上我們已經(jīng)熟知的特征與現(xiàn)象類比火星上我們了解尚淺

所有這些研究加在一起,,為我們提供了對這顆紅色行星的過去的合理認(rèn)識,。基于觀測到的表面特征,,火星的歷史被分為三個階段:

第一階段:諾亞紀(jì)

(Noachian period 45~36億年前)在這一階段里,,這顆新形成的行星的表面受到強(qiáng)烈的小行星撞擊。

第二階段:赫斯珀利亞紀(jì)

(Hesperian period 36~18億年前)此時火星表面的大洪水和火山活動劇烈,。

第三階段:亞馬孫紀(jì)

(Amazonian period,,18億年前至今)

此時火星表面的形態(tài)由風(fēng)和沙塵暴對沉積物的侵蝕和堆積所塑造。另外,,在亞馬孫紀(jì)中仍然存在一些火山活動,、極少的板塊運(yùn)動和極少的小行星撞擊。

火星塔爾西斯高原的地形圖,,藍(lán)色為最低的地區(qū),,白色最高。塔爾西斯高原(大部分為紅色)是火星上一塊隆起的區(qū)域,。圖片左上方的巨大火山是奧林匹斯山,,它是太陽系中最大的山。另外三座突出的火山表明,,這里的火山活動曾經(jīng)非常強(qiáng)烈,。中間的“裂縫”是水手谷,這是由板塊活動形成的一條峽谷,。正如圖中可以看到的,水手谷也曾把大量的水導(dǎo)向火星上的低地(藍(lán)色區(qū)域)。圖中還可以看到其他河流,。上方的藍(lán)色區(qū)域環(huán)形山很少,,這表明這一區(qū)域比較年輕,這里在很長的時間里曾經(jīng)是火星上的海洋,。圖片來源:NASA / JPLCaltech/ Arizona State University.

這第三種方法威力巨大,。如果我們在火星上看到一個與地球上的火山十分相像的東西,那么它多半就是一座火山,。這種類比通常極為有效,,但也有誤判的風(fēng)險(想一想前面提到的“canali”)。它沒法保證正確,,但至少為科學(xué)家后續(xù)的研究指出了正確的方向,。

雖然沒人能回到幾十億年前,但測定諸如火山或干涸河道之類的地貌的年齡,,還是比較容易的,。較早形成的表面結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷更多的小行星撞擊。通過比較不同表面上撞擊坑的密度,,我們就能編訂不同表面區(qū)域的年代順序,,并且估計它們的年齡。

有很多其他過程參與了火星表面形態(tài)的塑造,;在行星形成之后,,上述幾種用來確定年代的過程是最主要的——撞擊、板塊運(yùn)動,、火山活動,、水流和風(fēng)。下面讓我們來看看這些過程都有怎樣的作用,。

地球與火星之間驚人的相似

火山

同地球一樣,,火星上也有火山活動。這一點可以輕易地從火星表面的(死)火山和(凝固的)巖漿流看出來,。高27千米,、寬500千米的奧林匹斯山(Olympus Mons)不僅是火星上最大的火山,而且是整個太陽系中最高的山,。它是塔爾西斯高原上一系列火山中最大的一個,。從地質(zhì)學(xué)上講,這個結(jié)構(gòu)與地球上的“熱點火山”(并非由于板塊活動,,而是由于地幔中的巖漿直接上涌形成的火山)——譬如夏威夷島鏈——相似,。撞擊坑計數(shù)表明,這個結(jié)構(gòu)表面的不同部分形成于距今1.2億年到200萬年前,。這意味著,,直到200萬年前,火星的表面還有巖漿在流動!

撞擊坑

火星的南半球遍布著撞擊坑,,就像月球和水星上一樣,。而赤道附近和北半球則不同:這里的表面結(jié)構(gòu)更年輕,上面的撞擊坑就不那么多,。因為這里的撞擊坑大都被巖漿流,、水流或冰川侵蝕了。地球上的侵蝕過程與火星上的類似,,不過要快得多,,因此在地球的表面已經(jīng)很難找到撞擊坑。

由火星勘測軌道飛行器拍攝的維多利亞環(huán)形山圖像,。維多利亞環(huán)形山是一個直徑約800米的撞擊坑,。它受到風(fēng)的侵蝕,環(huán)壁逐漸坍塌,,這一點從環(huán)形山內(nèi)部接近環(huán)壁處墜落的碎石就可以看出,。沙塵暴掩埋了附近的許多小環(huán)形山,并且逐漸填平大的環(huán)形山,。環(huán)形山內(nèi)部的沙丘(如果讀者仔細(xì)看的話,,在圖中各處都能找到)十分引人注目。它們的形成方式與地球上沙漠里的沙丘是一樣的,,也是靠風(fēng)的吹拂,。機(jī)遇號火星探測車兩年前對它進(jìn)行探測之后,維多利亞環(huán)形山成了火星上研究得最充分的地區(qū),。圖片來源:NASA/JPL/University of Arizona.

沙漠,、沙灘和沙丘

地球上的沙漠是由風(fēng)塑造的,火星上也是一樣,。因此,,我們可以期待兩顆行星上的沙漠有很多相似之處。在這兩顆行星上,,風(fēng)都起到:1. 從某地帶走一些物質(zhì),;2. 在另一地堆積這些物質(zhì);以及3. 在這過程中侵蝕已有的表面結(jié)構(gòu)的作用,。在火星的山與谷的斷層中,,沙土分成很多層,這表明風(fēng)曾在火星表面的塑造中扮演過重要的角色,?;鹦堑亩鄶?shù)歷史(環(huán)形山、巖漿流,、甚至也許有化石)都被深深地掩埋在沙層下面,。同地球上一樣,,風(fēng)的吹拂會形成各種奇形怪狀的沙丘,譬如維多利亞環(huán)形山中的那樣,。

“這樣的結(jié)構(gòu)是由誰/什么創(chuàng)造的,?”2016年,好奇號火星車傳回這幅圖像的時候,,科學(xué)家一定發(fā)出了這樣的驚嘆。這幅照片拍攝的是蓋爾(Gale)撞擊坑中黑暗的納米比沙丘(Namib Dune),。沙丘中每座峰寬約3米,。這種地貌在地球上也有,但只在大洋的底部,。因此,,這里也許曾是一片濕潤的地帶。圖片來源:NASA, JPL-Caltech, MSSS

河流與海洋

也許火星表面最驚人的性質(zhì)莫過于此了:它表面的種種地貌——空蕩的河床和海床,、沉積物,、冰川遺跡——表明,這顆紅色的行星上曾經(jīng)有大量的液態(tài)水,?;鹦堑顷懫骱托l(wèi)星的探測都表明,在火星的表面之下和極冠中,,現(xiàn)在仍然存在大量的水冰,。《天文愛好者》雜志已經(jīng)廣泛地討論過火星上的水的問題,,因此我在這里從簡,。對火星上干涸河道的地質(zhì)學(xué)研究表明,它們不是由穩(wěn)定的水流形成的,。它們是大洪水的產(chǎn)物,。洪水的來源很可能是塔爾西斯地區(qū)地表下的冰層。那時火山變得活躍,,加熱了地表,,于是地下的冰融化,沖向火星表面那些較低的地方,,留下了在地圖上可以看到的這些有特點的河道和河口三角洲,。

峽谷

地球上最大的峽谷是位于美國亞利桑那州的科羅拉多大峽谷。它長達(dá)446千米,,寬29千米,,深達(dá)1.9千米。大峽谷是最近500萬年,,科羅拉多高原抬升之后,,由科羅拉多河開鑿出來的,。火星上最大的峽谷名為水手谷(Valles Marineris),,它長達(dá)4000千米,,寬200千米,深7千米,。人們一開始認(rèn)為,,水手谷也是由一條大河沖刷而成的。但是一項審慎的研究表明,,水手谷無疑是板塊運(yùn)動的結(jié)果(同地球上的東非大裂谷相似),。在主要結(jié)構(gòu)形成之后,山體滑坡,、來自附近奧林匹斯火山的熔巖流和水流作用也參與了其形狀的塑造,。

極冠

火星表面最后一個與地球相似的顯著特征是兩極的極冠。由于火星現(xiàn)在氣候寒冷,,這兩個極冠都是永久的,,但會隨著季節(jié)的變化消長。兩個極冠主要由兩千米厚的水冰層和表面一到數(shù)米厚的干冰(固態(tài)二氧化碳)層組成,。

火星表面的謎

這是火星勘測軌道飛行器于201 6年10月拍攝的一幅圖像,。圖像的視野為一千米。圖中顯示的并非是火星北極的沙丘上長出的樹木,;科學(xué)家認(rèn)為,,它們是春季來臨時,火星北極冠的干冰融化后留下的暗帶,。,。圖片來源:HiRISE,MRO, LPL (U. Arizona), NASA

另一幅神秘的圖像拍攝的是火星南極的一個區(qū)域,由火星勘測軌道飛行器攝于201 1年,。此時火星南半球進(jìn)入了春天,,干冰開始升華成二氧化碳?xì)怏w。圖中央的環(huán)形結(jié)構(gòu)直徑約60米,,和周圍的結(jié)構(gòu)比起來算是小的,。這里究竟發(fā)生了什么?目前仍不清楚,,因為這種現(xiàn)象并不曾在地球上出現(xiàn),。圖片來源:HiRISE, MRO, LPL (U. Arizona), NASA

這是好奇號火星車于2016年拍攝的一幅圖像。土地看上去有些泥濘,。也許對有些讀者來說,,這沒什么特別的,畢竟這樣的場面在中國各地的建筑工地上很容易看到,??蛇@是在火星上,!這些地表特征是從哪里來的?這片土地過去顯然非常濕潤和泥濘,,也許正是微生物的理想溫床,。但今天它已變得寒冷而干燥。圖片來源:NASA, JPL-Caltech, MSSS

牛頓環(huán)形山(隕石坑)邊緣的暗帶,。它們是如何產(chǎn)生的,?究竟是什么在往下流?科學(xué)家猜想,,這些暗帶是融化流出的地下冰,。今天火星的大氣非常稀薄,液態(tài)水只能在火星表面存在很短的時間:它們會在流到環(huán)形山底部之前蒸發(fā)掉,。在這些環(huán)形山里,這樣的暗帶時刻都在產(chǎn)生和消失,??磥砘鹦巧系拇_有液態(tài)水,但數(shù)量非常微小,,壽命也很短,。圖片來源:HiRISE, MRO, LPL(U. Arizona), NASA

機(jī)遇號火星探測車在火星上發(fā)現(xiàn)了藍(lán)莓大小的球狀物體。這些小球是如何在火星上產(chǎn)生的,?地球上從未發(fā)現(xiàn)過這樣的東西,,因此科學(xué)家感到十分驚訝。實驗室研究表明,,它們是在臟水中凝聚而成的,。圖片來源:MarsExploration Rover Mission, JPL, NASA

在由二氧化碳蒸發(fā)形成的瑞士奶酪樣地貌旁邊,還拍到了一個大洞,。洞口直徑約100米,。它是怎樣形成的?現(xiàn)在仍然是個謎,。這個洞和許多其他洞口的存在表明,,火星上也有著某種地下洞穴系統(tǒng)??茖W(xué)家對火星地表之下有什么非常感興趣,,在未來的幾年里,我們很有可能看到機(jī)器人下到其中一個火星洞穴里去,。圖片來源:NASA, MRO, HiRISE, JPL, U.Arizona

我們能從中學(xué)到什么,?

我們研究天文學(xué)的一個原因在于,我們想了解我們居于其中的這個世界(宇宙),,尤其是我們所居住其上的這一個(地球),??茖W(xué)家已經(jīng)能夠較好地研究地球的歷史,但畢竟我們只有一個地球可供研究,。行星科學(xué)的研究領(lǐng)域則更寬一些,。通過研究太陽系內(nèi)外的行星和它們的衛(wèi)星,我們實際上能夠更好地了解,,是什么使我們的地球成為其上所有生命的家園,!

(責(zé)任編輯 馮

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