火星气候剧变的罪魁

Amateur Astronomer - - 宇宙奥秘 - 张 博

长久以来,地球轨道外侧的邻居——火星——都是外星生命探索的焦点。这颗距离太阳最远的类地行星半径虽然只比地球的一半略大,但却有着与地球极为接近的24小时有余的自转周期。因此19世纪末到20世纪初的望远镜观测者在看到火星表面纵横交错的网络与随季节变化而消长的南北极冠之后,想象出了“火星人”挖掘遍布全球的运河系统,汲取极区冰水,灌溉赤道沃土的盛景,甚至连新发现的火卫一、二也被视为火星智慧文明发射的卫星;而科幻作家也以此为背景创作了一部部力作,有的至今仍脍炙人口。进入太空时代后的1965年7月14日,第一架成功的火星探测器——美国发射的水手4号率先传回了第一批红色星球的影像数据。但见照片中的火星贫瘠而荒芜,只存在环形山遍布的锈红色地表,生机全无,这 彻底粉碎了当年风靡全球的火星人幻想,也让针对其他行星地表和气候的研究真正变为一门科学。虽说如此,这些粗糙而原始的图像也隐约暗示,火星上的某些地貌极有可能是在遥远的过去由水体侵蚀而成的,但如今液态水体(至少是大规模的液态水体)早已不见踪影。现在距离水手4号的飞掠已经过去了半个世纪有余。在这50多年里,无论是火星车实地考察发现的水成矿物和沉积岩,还是多架轨道探测器拍下的多种与流水相关的地貌,都指明了同一个结论——火星在诞生后的最初数亿年里拥有湿润的环境,期间大量的液态水奔涌在行星表面上,甚至一度可能还形成了最原始的生命。但是与此同时,我们派去的自动使者还指明,早期观测者看到的所谓运河不过是水手谷等一系列大型地貌在小型望远镜中所呈现出的模样,而如今

火星极冠的变化也只是二氧化碳干冰的季节性冻结和融化所致。其实当代火星大气稀薄而寒冷,气压只及地球的0.6%左右,表面平均温度更是低至零下63摄氏度,压根就不允许大范围地表液态水体的存在,除非是少量水冰会残存其上,或是部分环形山侧壁或许有季节性的液态盐水流过。当然,包括单细胞生物在内的一切已知生命体也无法在今天的火星地表存活。因此问题就来了:远古时期温和潮湿的火星是怎 样经过40亿年的变迁,成了如今这般不毛之地?这个问题的答案,既对太阳系乃至整个宇宙中星球宜居性和生命起源的探讨意义深远,也是未来在开展可能的火星移民之前必须要了解的信息。液态水体存在的首要条件是温度适宜。火星将将处在太阳宜居带的外围,这意味着只要条件合适,其地表温度则应该介于0到100摄氏度之间,较地球可能更靠近冰点一些(因为火星的公转轨道半径较地球更大)。但是请不要忘记,水的相变点并非常数,而是与气压关系密切,宜居带的定义也是以类似于地球的大气条件为准。而以现今火星这样稀薄的大气,上面就算存在水分,也会被迅速汽化,在短时间内散逸出去。所以过往的火星若要具备湿润的环境,理应保有更为浓密的大气。由此,这道关乎星球环境恶化原因的问题在很大程度上也就转化成了:火星的大气在数十亿年间为何会损失大半?这其中的可能性有很多。也许远古时期的一次小天体撞击让火星大气总量骤减。又或者是长期以来大量气体经由特定的化学反应被星球地表吸收,作为大

气层主要成分的二氧化碳以碳酸盐的形式被锁入了火星上的矿物之中。不过近年最流行的一种假说认为,火星大气是由太阳风逐渐侵蚀掉的。太阳风是从太阳持续流出的带电粒子流,其中裹挟着磁场,充斥在整个太阳系中。太阳风粒子的常规运动速度约为每秒400千米,在发生日冕物质抛射(CME)事件期间行进得更快,甚至可达光速的三分之一左右。当速度如此高的粒子撞击行星大气层时,就会在大气中产生临时的电流,将高层区域的原子电离。这些离子既有一 定的概率被太阳风中的磁场带走,又可能返回大气之中并释放能量并加热周边气体,让更多的气体逃逸到宇宙空间之中。这一过程在所有具备大气层的行星上都会发生,但根据该假说,与火星相比,地球的优势在于具备全球性的较强磁场,可以在很大程度上屏蔽太阳风的直接袭击;而且地表重力也是火星的两倍半有余,能够更有效地束缚周边大气,使全球性的海洋得以保全至今。而表面磁场只有地球1/1800的小小火星就没有那么幸运了,太阳风早早将大气进而是液态水体剥去,只剩下了满目荒凉。就在不久之前,太阳风剥蚀火星大气的假说还仅仅是假说。而美国航天局(NASA)在2013年11月发射、翌年9月抵达目标的火星大气与挥发物演化探测器(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN,专家号,简称MAVEN)就是为了验证这个假说而专门设计建造的。2017年3月底,MAVEN小组根据探测器在持续一个火星年(1火星年相当于687地球日)以上的时间里采集到的测量数据,进一步认定了这一理论的正确性——原始火星大气中,大约65%的氩元素已经通过太阳风作用遗失到了太空中去。据此估算,40亿年来,在太阳风的侵袭下,由火星大气中所占比例最大的二氧化碳分子贡献的气压下降幅度高达0.5巴

以上,这相当于地球海平面气压的一半,足以令行星气候发生剧变。更何况与二氧化碳相伴的温室效应显著,想必它引发的后果较其他气体会更加明显。作为第一架测量火星大气逃逸过程的探测器, MAVEN的任务是考察火星大气在不同高度上的离子和分子,计算它们的损失速率,从而系统评估太阳风对火星大气的影响。以火星勘测轨道飞行器(MRO)为代表的传统火星探测器以成像和测绘为主要工作,大抵在数百千米高的在近圆轨道上环绕火星运行。而MAVEN的轨道选择了高度偏心的椭圆轨道,最近可以抵达火星地表之上百余千米处,最远却要数十倍于此,其意图正是要全面采样火星大气各区域中的不同成分,包括氢、氧以及其他气体和金属离子等,这其中前二者属于水分和二氧化碳分子瓦解的产物。自入轨以来,MAVEN在考察火星大气演变方面数次立功。2015年秋,这架探测器第一次测量出,当前太阳风剥蚀火星大气的速率大约是每秒100克,且该过程发生的区域并不均匀,以火星极地上空的羽状区域与星球后部的太阳风“尾”最为集中,只有很少一部分散布在其他地方。而这样的损失在太阳风暴期间 有所加快。鉴于在数十亿年前太阳的青少年时代,其活动更加剧烈,我们有理由认为火星过往的大气损失速率更高,只是具体数字一时难以确定,但太阳风诱发火星环境灾变也是非常有可能的。不到一年之后,MAVEN又根据火星周边氢离子流的密度确认,该行星的水分损失速率并不稳定,而是存在间歇性的突变。在阳光中紫外线成分的照射下,火星高层大气中的水分子会瓦解为氢氧原子,这些原子随后又被太阳风电离。因为火星环绕太阳公转的轨道偏心率相对行星的标准而言较大,在一个轨道周期内,星球接收到的阳光强度具备幅度高达40%的变化,这就影响了大气中水分的含量与氢原子的数量。近几年来太阳活动也是趋于平缓,构成了导致火星水分损失率波动的又一可能要素。而最新的估计则是借助考察火星大气不同高度上氩元素的两种同位素——氩36与氩38的丰度来实现的。与氢、氧等化学性质活泼的原子相比,使用氩来反推火星大气损失史的优点在于,氩是一种惰性元素,除了太阳风引发的“溅射”(也就是部分气体离子被太阳风高速挟走后又重回大气层,将更多的气体

撞入太空)之外,不会参与任何反应,所以不像二氧化碳那样有可能被锁入岩层,或是水分那般冻结成冰。由于氩36原子质量较轻,它更容易被太阳风带入宇宙中,而较重的氩38却有较大的概率保留下来。这样总的结果就是,随着时间的推移,火星大气中的氩38丰度一路上升。如果我们认定太阳系诞生于成分均匀的原始星云之中,那么各行星在形成之初的同种元素同位素比例应该是相近的。通过比较当代火星与地球大气中氩的同位素比例,研究者发现火星上的氩36数量过少,考虑探测器测量出的氩损失速率,将近三分之二的氩气已经从火星大气中损失掉了——其实这一点本身也并非新闻,早在4年前,好奇号火星车采集的岩石样本就已经得出了同样的结论。不过MAVEN在证实好奇号发现的同时,还明确了溅射过程以及两种氩同位素的分离机制,又一道勾勒出了损失速率由快到慢的演变,这些都是单凭火星车的局域采样无法做到的。在大量氩原子被溅射出去的同时,其他气体也会按比例溅出。据此估计,火星的初始大气密度几乎与地球同等数量级才能应付此等程度的消减。而且既然溅射并非二氧化碳等气体损失的唯一渠道,刚刚形成的火星想必拥有更加厚实的大气层。只是这次MAVEN已然说明,太阳风本身即可造成火星大气的大规模剥蚀,进而让星球面目全非,无须其他过程的参与。这是行星大气研究史上的重要里程碑,不仅将帮助我们更深入地认识火星的历史,也会促进对其他行星类似过程的研究。目前,MAVEN的工作期限已经一再延长到了2018年9月,这意味着探测器至少可以在两个火星年的时间里考察星球大气的演变,期间也有可能遭遇更多的空间天气状况,这些都将给研究者认识太阳风剥蚀的过程带来新的契机。与此同时,好奇号对火星地表的钻探考察还能给出氢元素同位素在历史上的变化,从而从另一个侧面标明火星水分的损失历史,这无疑又为MAVEN的结果提供了交叉检验的可能性。而在今后奔赴红色行星可能的载人任务中,对星球大气和气候的这些认知也是必不可少的知识储备。

太阳风暴轰击火星,并从后者的高层大气中剥蚀气体的艺术图。图片来源:N A S A /G S F C

MAVEN搭载的紫外成像光谱仪拍摄的火星假彩色图像,其中蓝色表示氢原子散射的太阳紫外辐射,距离火星表面数千千米;绿色表示氧原子反射的阳光,由于原子量较大而分布较氢元素更加紧凑;红色表示火星地表反射的太阳紫外光。图片来源: Laboratory for Atm ospheric and Space Physics, U n iv e rs ity o f C olorado;N A S A

M A V E N探测器的艺术概念图。

当今贫瘠干旱的火星(左)与艺术家笔下最初数亿年间生机勃勃的火星(右)的对比。图片来源:NASA’s G oddard Space FlightCenter

火星阿瑞斯(A res)谷的流线型岛屿。这样的结构在火星上颇为常见,一般认为,与地球上形态接近的岛屿类似,它们也是由火星远古时期的流水塑造而成。图片来源:N A S A / JP L/A rizona S tate U niversity

黑洞的活 机遇号火星车在忍耐号(E n d u ra n ce )环形山着陆点内发现的“蓝莓珠”。蓝莓珠直径数厘米,颜色较周围岩石更蓝,且大抵呈圆形,故名。火星车的考察表明,这种结构内富含赤铁矿。而在地球上,该矿物通常是在湖泊或温泉等水体中形成的,这说明火星的环境过去很可能也是湿润而温暖的。图片来源:N A S A /JP L/C ornell/U S G S 最早的火星影像,图中可见遍布的火星环形山。图片来源:N A S A /JP L

(责任编辑 冯 )

溅射过程示意。上:阳光中的紫外线让大气分子电离;中:离子被太阳风裹挟走;下:部分离子被弹回大气中,并将更多的原子敲出大气层。

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