科學(xué)家們終于弄清了原因；為什么兩個最宜居的星球卻有著不同的命運(yùn)。
按比例放縮的火星和地球（如圖），顯示出地球比我們的“紅色的鄰居”火星更大更適宜生物生存?；鹦?，一顆紅色行星，沒有可以保護(hù)它免受太陽風(fēng)的磁場，這就意味著某種程度上火星會失去的它的大氣層而地球并不會。
（圖源：NASA）
想象一下，回到億萬年前，在我們的太陽系的早期。太陽更冷更暗，但是存在著（至少）兩個行星——地球和火星，它們的表面的很大一部分都覆蓋著液態(tài)水。由于包括二氧化碳的溫室氣體的大量存在，世界也并非是完全被冰凍。地球和火星早期的海洋中甚至都存在原始的生命形式，這就為生物友好型的光明未來鋪平了道路。
在過去的幾億年中，地球和火星都經(jīng)歷了巨大的變化。到現(xiàn)在為止，由于某些原因，地球變得富含氧氣，保持著溫和的溫度，并且可以看到地球表面的生物激增，而火星卻“死掉了”。它的海洋消失了；它的大氣層也沒了；并且已經(jīng)找不到任何生命跡象了。一定是有什么原因?qū)е禄鹦恰八馈绷?，地球“活”了下來，雖然花費(fèi)了數(shù)十年，但科學(xué)家最終還是搞清了其中的原因。
來自芝加哥菲爾德博物館，石灰?guī)r中的三葉蟲化石。所有現(xiàn)存化石化的生物體的“血統(tǒng)”都可以追溯到生活在約35億年前共同的祖先，過去550百萬年所發(fā)生的很多事情都被保存記錄在地球上沉積巖的化石中。（圖源：JAMES ST. JOHN / FLICKR）
地球最為壯觀的特點之一就是我們所處世界的生命史都被書寫在了化石之中。在過去的億萬年中，沉積物被陸地和海洋所保存下來，而其中蘊(yùn)藏著各種生物體生活過的痕跡。
地球上10%的沉積巖都是石灰?guī)r，這些石灰?guī)r通常都是由像珊瑚、阿米巴原蟲、藻類、浮游生物和軟體動物等的海洋生物的殘余物構(gòu)成的。石灰?guī)r主要是由碳酸鈣構(gòu)成的，但目前也有一些形態(tài)中含有鎂和硅。
在沉積巖中的白堊系-古近系界線層非常明顯的，然而，正是這薄薄的灰層以及它的元素成分讓我們了解到造成大滅絕的小行星撞擊事件。地球有數(shù)百米的沉積巖覆蓋在其表面，幾乎無處不在，沉積巖中總共約有10%由石灰?guī)r構(gòu)成。（圖源：JAMES VAN GUNDY）
“碳”在地球上的石灰?guī)r還有其他海洋中儲藏的礦物質(zhì)（像富含鎂的白云石）中是很普遍的。正是大氣中的二氧化碳導(dǎo)致了碳酸鹽巖的構(gòu)成，因為
大氣中的氣態(tài)CO?不斷被海洋吸收直至達(dá)到一個均衡點，
然后海里的二氧化碳與水中的礦物質(zhì)（如鈣、鎂等）結(jié)合，
形成顆粒物或者化學(xué)沉淀物，
然后沉淀在海底，導(dǎo)致沉積巖的形成。
我們所發(fā)現(xiàn)的石灰?guī)r的生物和地球化學(xué)起源，賦予了石灰?guī)r“地表最豐富的巖石”的稱號。人們普遍認(rèn)為，地球早期的CO?最終都“跑”到了地球表面的石灰?guī)r中。
火星上遍布的季節(jié)性冰凍湖泊向我們展示了火星表面存在（非液態(tài)）水的證據(jù)。這只是說明火星過去有水的存在的眾多證據(jù)中的一小部分。（（圖源：ESA/DLR/FU BERLIN (G. NEUKUM)）
有大量的證據(jù)證明火星過去有水存在——季節(jié)性形成的冰不只存在于在極點，也存在于點綴著火星表面的各種盆地和隕石坑里。像干枯的河床這樣的特征常意味著蜿蜒的牛軛湖（U型湖），就像地球上延伸在各處景觀中的小溪。甚至遍布這顆紅色星球的潮汐韻律也很可能是古代河流匯入巨大的海洋盆地的證據(jù)，。
這些特征顯示出一種明確的跡象——過去古老的火星水量充沛，而今日卻不再。取而代之的是，火星上幾乎沒有純凈的大氣層，實際上火星上的大多數(shù)地方都不可能存在未污染的液態(tài)水，是因為火星表面的壓力根本不足以使液態(tài)H?O存在。
牛軛湖只有在一條河流“漫漫生命歷程”的末期才會出現(xiàn)，并且如今我們在火星上發(fā)現(xiàn)它。如果將這一特征判定為冰川的流動、侵蝕或除了自由流動的液態(tài)水以外的其他任何方式所造成的，那簡直是大錯特錯。（圖源：NASA / MARS GLOBAL SURVEYOR）
甚至在我們用探測器對火星表面進(jìn)行探索之前，就已經(jīng)有了火星曾經(jīng)有水存在的充分證據(jù)。然而，當(dāng)我們開始認(rèn)真對火星表面進(jìn)行探測時，“證據(jù)”就顯得十分有力以至無法忽視。機(jī)遇號火星探測器發(fā)現(xiàn)的赤鐵礦球體幾乎印證了這一證據(jù)。特別是有些球體看上去是以某種方式與另一個球體連在一起的，這種構(gòu)成方式不存在什么合理的可能性，除了液態(tài)水。
由于火星曾經(jīng)擁有與早期地球相似的富含二氧化碳的大氣層，人們認(rèn)為在火星表面會發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r和其他碳酸鹽巖石，但是“海盜號”、“旅行者號”、“勇氣號”以及“機(jī)遇號”都一無所獲。
“機(jī)遇號”在火星發(fā)現(xiàn)了赤鐵礦球體和球狀體。雖然還是可能存在有某種機(jī)制，在液態(tài)水不必要參與的條件下構(gòu)成它們，但是已知的機(jī)制甚至在理論上，也無法在缺少水的條件在讓赤鐵礦球體和球狀體（如所發(fā)現(xiàn)的那樣）“融”在一起。（圖源：NASA / JPL / CORNELL / USGS）
直到“鳳凰號”火星探測器去了火星才發(fā)現(xiàn)了二氧化碳，雖然那只是很少的量：就像被蒸發(fā)的水在它最后的階段那樣。與地球上綿延數(shù)百米（或者有些地方甚至?xí)^一千米）的碳酸鹽巖石相比，火星上的這點根本算不了什么。
這可難壞了海洋科學(xué)家們。約20年前，幾乎全部的預(yù)期都認(rèn)為火星是像地球那樣流失了它的二氧化碳：二氧化碳 “跑”到了海洋中然后被碳酸鹽巖石所保存。但探測器所發(fā)現(xiàn)的并非如此。事實上，他們發(fā)現(xiàn)了其他可能同樣令人驚訝的東西——取代碳酸鹽巖石的是：富含硫的礦物。而正是“機(jī)遇號”的發(fā)現(xiàn)——黃鉀鐵礬，徹底改變這個故事。
維多利亞隕石坑的邊緣有許多這樣的海角，圣文森特角是其中之一，它顯示出某種特定的顏色。分層的地面為火星的沉積巖歷史提供了證據(jù)，同時也暗示了曾經(jīng)有液態(tài)水的存在?！皺C(jī)遇號”關(guān)于黃鉀鐵礬的發(fā)現(xiàn)成為了火星地質(zhì)學(xué)的“游戲規(guī)則改變者”。（圖源：NASA / JPL / CORNELL）
這就使得科學(xué)家們將火星描繪成了一幅與地球完全不一樣的圖景。在地球上，我們的海洋pH值大約是中性的，十分有利于碳酸鹽巖的沉淀。即使是在富含CO?的環(huán)境中，碳酸也使得pH值處于足夠高的水平能使碳酸鹽沉淀，讓地球表面遍布石灰?guī)r和白云石。
但是“硫”戲劇性地改變了整個故事。如果火星早期的大氣層不僅富含二氧化碳，還有二氧化硫，那它表面的水則會被硫酸而不是碳酸影響——硫酸是化學(xué)中最強(qiáng)的酸之一。如果海洋足夠酸，那么就會發(fā)生與地球上相反的反應(yīng)：碳酸鹽從陸地上被“吸取”出來而被“置換”到了海里，將富含硫的沉積物留在了陸地上。
這里所展示的佩森脊（Payson Ridge）是“機(jī)遇號”在火星上發(fā)現(xiàn)的一處地貌，但甚至到了今天都無法解釋它的形成?；鹦巧习l(fā)現(xiàn)的許多沉積巖都含有硫，而很少含有碳。這也是多年來火星地表的幾大“未解之謎”之一。（圖源：NASA / JPL / CORNELL）
這就能解釋火星的海洋和地表化學(xué)了，但是也意味著我們需要一整套完全不同的機(jī)制來解釋火星大氣跑到哪去了。地球的大氣層很大一部分都被自身吸收，但這并不能簡單套用于火星。
除了“向下（被吸收沉淀）”，也許大氣層也可能“向上”跑到宇宙深處。
如同地球一樣，也許火星也曾擁有磁場來抵御太陽風(fēng)。但是由于火星的直徑只有地球的一半，且其地核更小密度更低，可能火星太“冷酷”了（太冷了），其活躍的磁場都變得安靜不活躍了。同時這也是一個轉(zhuǎn)折點：火星沒了“磁場盾牌”的保護(hù)，在太陽風(fēng)粒子的猛烈攻擊下也就沒有可以用來防御的東西了。
太陽風(fēng)以球狀從太陽向外輻射，使得太陽系中的所有星球都處在被掠走大氣層的危險之中。地球的磁場至今都很活躍并保護(hù)我們的星球免受太陽風(fēng)所傳播的粒子的侵襲，而火星沒有磁場，時至今日還不斷損失著它的大氣層。
這么想真的對嗎？火星失去大氣層，被奪走了使液態(tài)水存在于其表面的能力，并且還處于又冷又荒涼又貧瘠的狀態(tài)。這是真正的原因嗎？
這就是NASA的MAVEN（火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)探測器）的總體目標(biāo)——測量如今太陽風(fēng)從火星掠走大氣層的速度，并由此推測整個歷史進(jìn)程中火星被太陽風(fēng)掠走大氣層的速度。太陽風(fēng)是很強(qiáng)大，但像二氧化碳分子，由于其分子量很大，這就很難讓它們達(dá)到逃逸速度。我們能從磁場的喪失和太陽風(fēng)中找到一種可行的機(jī)制嗎？這種機(jī)制能解釋火星是如何從一個表面有液態(tài)水且擁有大氣層的世界變成了如今我們所知的火星嗎？
沒有活躍的磁場保護(hù)，太陽風(fēng)不斷地侵襲火星的大氣層，使得構(gòu)成大氣層的一部分粒子被掠走?，F(xiàn)在，如果我們給火星注入像地球這樣的大氣層，那太陽風(fēng)把它削減回現(xiàn)在的密度水平也只是幾千萬年的事。（圖源：LUNDIN ET AL. (2004) SCIENCE, VOL. 305. NO. 5692, PP. 1933–1936）
MAVEN所探測到，火星平均每秒流失到宇宙中的大氣損失約為100克（?磅）。而耀斑會讓太陽風(fēng)變得更強(qiáng)，增至平常值得二十倍左右。所以，即使當(dāng)大氣層變得更稠更密時，同樣水平的太陽風(fēng)照樣會掠走它的大氣層，并且還是以更快的速度。
在沒有磁場保護(hù)地暴露于太陽風(fēng)中，僅僅一億年的時間足以改變火星這么大小的世界，把它從擁有像地球一樣的大氣層的樣子變成如今我們所看到的火星那樣。可能在液態(tài)水自由地在火星表面凝結(jié)、流動的這十億年過去后，宇宙歷史的一小點就足以吹散火星的可移居的光明前景。
火星和地球早期的大氣層都又厚又稠密，且極富CO?。地球的二氧化碳被吸收進(jìn)了海洋、被鎖在了碳酸鹽之中，然而由于火星的海洋太“酸（性）”了，無法像地球那樣保存二氧化碳。這才造就了我們的探測器和著陸器所發(fā)現(xiàn)的那樣的火星地貌，并且揭露了不斷“遺失”的火星大氣層這一秘密的另外一個“罪魁禍?zhǔn)住薄栵L(fēng)。
正是NASA的MAVEN任務(wù)，才讓我們確認(rèn)了這一段歷史實際上是那樣發(fā)生的。四十億年前，火星的地核變得不活躍，其磁場也消失了，太陽風(fēng)就掠走了它的大氣層。而我們的大氣層完好無損，在可預(yù)見的未來中，我們的“蔚藍(lán)星球”因此也得以保持藍(lán)色并且充滿生機(jī)。但是對于那些像火星一樣的更小的世界，它的“命數(shù)已盡”。不過，所幸最終我們還是弄清了其中的緣由。
作者: Ethan Siegel
聯(lián)系客服
