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解密NASA的MAVEN航天器發(fā)現(xiàn)火星是如何失去大氣層的。
火星，這顆紅色的行星曾經(jīng)與地球沒有太大的不同。
火星沒有磁場(chǎng)來保護(hù)它免受太陽風(fēng)的侵襲。那么未來的火星移民需要如何應(yīng)對(duì)？
40億年前的火星 Credit：NASA
火星的直徑只有地球的一半，質(zhì)量只有地球的百分之十一，而且它所處的位置與太陽的距離要大得多，火星遭受了與地球非常、非常不同的命運(yùn)。在我們的星球上，海洋蓬勃發(fā)展，生命也繁榮昌盛，而火星卻變得寒冷、干燥，而且非常、非常荒涼。即使新發(fā)現(xiàn)的火星表面存在液態(tài)水，也改變不了火星以一種與地球截然不同的方式進(jìn)化的事實(shí)。如果不完全了解這是如何發(fā)生的，非常合理的擔(dān)憂是，有一天地球可能會(huì)效仿，最終變成一片荒涼的荒原，在那里，任何幸存的生命都將被降級(jí)到極端的地方，而不是無處不在。
火星和地球，按比例顯示我們的母星比我們的紅色鄰居大得多 Image credit: NASA
探測(cè)器“馬文號(hào)”（MAVEN）數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：在太陽風(fēng)暴期間，火星被太陽風(fēng)的等離子體擊中時(shí)，大氣的惡化程度顯著增加。大氣層向太空逃逸，在火星氣候變化的過程中可能起到了關(guān)鍵作用（據(jù)稱發(fā)生在距今42億-37億年前），從二氧化碳為主的稠密大氣（這種大氣環(huán)境可以保持火星足夠溫暖，讓表面的液態(tài)水保持穩(wěn)定），轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀內(nèi)缃窨吹降暮涓稍锏沫h(huán)境。全球性磁場(chǎng)的衰減讓這種轉(zhuǎn)變成為可能，因?yàn)?strong>火星內(nèi)核冷卻，關(guān)閉了形成保護(hù)磁層的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。如今，火星高層大氣中的氣體分子，被太陽風(fēng)中的紫外線和高能帶電粒子轟擊，解離后的離子也被“挾持”著帶入太空。
點(diǎn)擊下方視頻更加形象的解釋了這一現(xiàn)象：
如今的火星沒有全球性磁場(chǎng)，但是通過“火星全球勘測(cè)者號(hào)”能探測(cè)到火星表面巖石的剩余磁場(chǎng)。熾熱的巖漿冷卻，火星表面巖石記錄了當(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)環(huán)境。地球的北極和南極不時(shí)地翻轉(zhuǎn)，地球磁場(chǎng)的變化可以從巖石中反映出來。特別是，當(dāng)?shù)貧难笾屑箶U(kuò)張時(shí)，中線兩側(cè)的凝固巖漿巖的磁性，呈現(xiàn)出對(duì)稱的條紋圖案，實(shí)際上，這就像一個(gè)磁帶記錄器?！盎鹦侨蚩睖y(cè)者號(hào)”發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)度180度和南緯60度的南半球高地中，磁條的磁性最強(qiáng)。而低洼的北方大平原、塔爾西斯火山區(qū)、奧林匹斯山和埃律西昂平原，以及像海拉斯盆地這樣的主要盆地，都沒有發(fā)現(xiàn)這樣的磁條。有趣的是，雖然火星磁場(chǎng)與火星表面最古老的地質(zhì)單元有關(guān)，也就是坑坑洼洼的南半球高地，但磁條和單一地貌之間并沒有相關(guān)性。這說明，火星的地殼很早就被磁化了，隨后，在北半球的低洼地區(qū)，形成了大型火山區(qū)，掩蓋了早期磁化的火星表面。而這些新形成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有被磁化。這一事實(shí)表明，火星最初的強(qiáng)磁場(chǎng)，如今已經(jīng)大量減弱了。
在正常情況下，火星以每秒略高于100克的速度失去大氣層。
在太陽活動(dòng)增強(qiáng)期間，這一速度可以增加到每秒2千克以上。
太陽風(fēng)暴會(huì)在地球上產(chǎn)生極光，在火星上會(huì)產(chǎn)生如此壯觀的極光，足以覆蓋整個(gè)火星。
Image credit: NASA GSFC
我們還了解到，火星大氣流失是逐漸增加的，持續(xù)了好幾千萬，甚至上億年，這就意味著兩件非常重要的事情：
1. 如果早期火星表面有生物存在，而且大氣的變化足夠平緩，我們有理由相信這些生物可能會(huì)進(jìn)化找到合適的避難所，在那里它們有可能存活至今。
2. 如果我們想要通過給火星人工打造一個(gè)濃密的大氣層，從而使火星地球化，那么在達(dá)到適宜的改造程度前，這些生物還要再堅(jiān)持幾百萬年。
有意思的是，如果我們對(duì)火星放任不管，那么按照現(xiàn)在火星大氣層的流失速度，再過20億年，火星上將完全不再有空氣，徹底變成像水星或月球那樣的星球。
在大小上與地球相比的太陽系的大衛(wèi)星。火星的大小與木星的木衛(wèi)三大致相同。
Image credit: NASA, via Wikimedia Commons user Bricktop; edited by Wikimedia Commons users Deuar, KFP, TotoBaggins.
科學(xué)家預(yù)言，火星上沒有磁場(chǎng)的問題遲早會(huì)在未來人類開展火星殖民計(jì)劃的情況下得到解決。許多人認(rèn)為，火星上的磁場(chǎng)問題是必須要去解決的，因?yàn)檫@樣可以穩(wěn)定火星的大氣層，他們甚至還認(rèn)為，嘗試去恢復(fù)火星上的大氣層是毫無意義的，除非磁場(chǎng)問題能夠得到解決。然而，事實(shí)并非如此。毫無疑問，由于沒有磁場(chǎng)，所以火星的大氣層是由太陽風(fēng)帶到外層空間的。但是，如果我們能夠在火星上創(chuàng)造出和地球一樣的大氣層，那么太陽風(fēng)要想帶走大氣層的百分之一，則大約需要一百萬年的時(shí)間。所以這不是問題，而是太陽輻射對(duì)殖民者健康的影響。其實(shí)，火星上的太陽輻射并不像人們普遍所認(rèn)為的那樣嚴(yán)重，也就是說，從短期來說，穿著太空服的人一旦進(jìn)入到了太空中不一定會(huì)死亡。然而，當(dāng)人們?cè)诨鹦巧辖⒘擞谰枚ň狱c(diǎn)時(shí)，隨著時(shí)間的推移，火星上的居民將逐漸遭受到因輻射增加而引起的各種疾病的折磨，主要是增加患癌癥的數(shù)量，以及導(dǎo)致新生兒患各種基因異常的疾病。
如何解決這個(gè)問題呢？對(duì)此，科學(xué)家提出了許多方法，用來保護(hù)火星殖民者免受輻射的有害影響。下面，讓我們來看看幾個(gè)主要的：
1.把“谷神星”的衛(wèi)星放置在圍繞火星的軌道上。從理論上講，圍繞火星運(yùn)行的大天體，其引力可當(dāng)作一個(gè)混合器作用于火星的核心，這樣可以再次融化并啟動(dòng)火星的冰凍核心。
2.用于破壞火星核心的強(qiáng)大核武器。從理論上，是可行的，但現(xiàn)實(shí)難度可想而知，火星半徑3395公里，如何才能鉆到這樣的深度然后把核武器投放到火星地核中去呢？就說在我們地球上，人們鉆井的最大深度才為10公里左右，更何況是在火星上。
3.制造一個(gè)行星電磁鐵。其想法是這樣的：在火星的赤道上鋪設(shè)一個(gè)超導(dǎo)體的螺線管，并將其連接到一個(gè)強(qiáng)大的電流源。盡管這個(gè)項(xiàng)目需要一個(gè)真正巨大的努力和巨大的成本，但最重要的是，它是最“現(xiàn)實(shí)”的，因?yàn)樗恍枰l(fā)明一種全新的東西。
4.僅在可居住區(qū)域創(chuàng)建人工磁場(chǎng)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可在可居住區(qū)域放置一個(gè)強(qiáng)大的電磁鐵，進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)來保護(hù)殖民者免受太陽輻射的有害影響。此外，如果要逃避太陽輻射的影響，有人還提出，可以在火星地下建立居住點(diǎn)，雖然火星土壤本身的厚度將是抵御輻射的良好保護(hù)，但這大大限制了殖民者的活動(dòng)或工作。
5.在火星的L1拉格朗日點(diǎn)放置磁偶極子，制造環(huán)繞整個(gè)星球的人工磁層阻擋太陽風(fēng)和輻射。拉格朗日點(diǎn)是兩個(gè)天體系統(tǒng)中的點(diǎn)，在這兩個(gè)天體中，這些天體的重力相互平衡或由其他力進(jìn)行補(bǔ)充。一個(gè)質(zhì)量遠(yuǎn)小于火星質(zhì)量的物體被放置在拉格朗日點(diǎn)中的一個(gè)點(diǎn)上，它將能夠無限期地停留在其中。
為了測(cè)試這個(gè)想法，由來自阿姆斯研究中心、哥達(dá)德太空飛行中心、科羅拉多大學(xué)、普林斯頓大學(xué)以及盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)他們的人造磁層進(jìn)行了一系列的微縮實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，火星L1拉格朗日點(diǎn)的偶極磁場(chǎng)能夠抵消太陽風(fēng)，實(shí)現(xiàn)火星大氣層的新平衡。目前，火星大氣通過火山噴發(fā)和凝結(jié)達(dá)到了平衡，但表面氣壓僅為6毫巴(低于地球海平面氣壓的1%)。如此，火星大氣層將隨時(shí)間自然變厚，增加了人類探索和殖民的可能性。據(jù)格林和他的同事稱，這將引起平均溫度上升4攝氏度，足以融化北極冰帽的干冰并引起溫室效應(yīng)，從而進(jìn)一步加熱大氣，融化冰帽的冰川。根據(jù)計(jì)算，格林和他的同事估計(jì)這將使火星的海洋規(guī)?；謴?fù)到數(shù)十億年前的七分之一，促進(jìn)當(dāng)前和本世紀(jì)中葉的人類火星殖民計(jì)劃。一個(gè)在氣壓和溫度方面增強(qiáng)的火星大氣層，能使地表存在大量的流動(dòng)水，對(duì)科學(xué)和2040年代以后的人類探索大有助益。此外，增強(qiáng)的大氣層將允許更大重量裝備降落到地表，防御大部分宇宙和太陽粒子輻射，擴(kuò)展氧氣提取的能力，提供‘流動(dòng)空氣’溫室使得植物生長(zhǎng)生存。
雖然地球磁場(chǎng)可能不能完全屏蔽太陽風(fēng)暴，但我們的磁場(chǎng)使我們能夠保持我們的氮?dú)?氧氣大氣層，而且這種情況應(yīng)該會(huì)保持?jǐn)?shù)十億年。
Image credit: NASA
對(duì)于目前地球上的人類來說，好消息是地球上的磁場(chǎng)沒有顯示出任何短期內(nèi)停止的跡象。核心中的發(fā)電機(jī)可能會(huì)做翻轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之類的事情，交換南北磁極，但在可預(yù)見的未來，我們應(yīng)該繼續(xù)受到地球磁場(chǎng)的保護(hù)：可以肯定的是，至少在數(shù)十億年內(nèi)?？梢韵胂螅幸惶煳覀兛赡軙?huì)遭受與火星相同的命運(yùn)，但我們的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)和活躍的、動(dòng)態(tài)的核心應(yīng)該至少在太陽照耀的時(shí)候保持地球磁場(chǎng)的作用！
不管怎樣，人類要想在火星上生活，目前的科技水平可能還達(dá)不到要求，也許永遠(yuǎn)也不能實(shí)現(xiàn)，但是，只要我們把殖民火星作為一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的過程中不斷創(chuàng)造出新的技術(shù)，發(fā)展新的科學(xué)，就會(huì)給人類文明帶來不可估量的利益，所以，一切皆有可能！
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