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“孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星

发布时间:2019-05-21 10:49:04  作者:漫步宇宙  来源:漫步宇宙  阅读:194

      想象一下几十亿年前的太阳系。当时的太阳温度和亮度远不及现在,但至少两颗行星(地球和火星)的大部分地表被液态水覆盖。由于大量温室气体的存在,无论是地球还是火星都没有完全冻结。它们的年轻海洋都可能孕育出原始生命,为生物友好型未来铺平道路。过去几十亿年,两颗行星都发生了翻天覆地的变化:火星沦为一颗红色的死星,地球则是一番生机勃勃的景象。为什么会这样?
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      地球与火星对比图
      过去几十亿年,火星和地球都发生了翻天覆地的变化。出于某些原因,地球成为一颗温度适中且富含氧气的星球,孕育出五彩斑斓的生命,火星则沦为一颗死星。火星的海洋消失踪影,失去了大气层,同时没有发现任何生命迹象。火星为什么走向死亡,而地球却是一番生机勃勃的景象?围绕这个问题,科学家进行了数十年研究,最终找到答案。
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      芝加哥菲尔德博物馆的三叶虫化石
      地球的一个最引人注目的特征是,生命的演化史被写进化石记录。在数亿年的岁月变迁中,无数生物在陆地和海洋的沉积层留下各种印记,帮助科学家了解地球生命的起源和演化。在地球的所有沉积岩中,石灰岩的比例在10%左右。这种沉积层中经常发现海洋生物的遗迹,例如珊瑚、变形虫、海藻、浮游生物和软体动物。石灰岩主要由碳酸钙构成,某些石灰岩还存在镁和硅。
      碳酸盐普遍存在于地球的石灰岩以及富镁白云石等海洋沉积矿物。大气中的二氧化碳导致了碳酸盐岩的形成。地球上的石灰岩还有生物学和地球化学源头,让它们成为地球表面最为丰富的岩石之一。科学家普遍认为早期地球的二氧化碳,大部分最终进入地表石灰岩。
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      白垩纪-古近纪边界层在沉积岩中非常独特,有助于科学家了解导致地球物种大灭绝的“天外来客”的源头
      大量证据证明火星曾是一个水世界,不仅两极存在季节性冰,地表的一系列盆地和陨坑也有水冰的存在。类似干河床的地貌特征(通常呈U字形,与地球上的河床类似)遍布火星。此外,科学家还在火星上发现大量证据,证明远古水流导致了巨大海洋盆地的形成,甚至还出现了潮汐韵律层。
      虽然这些地貌揭示了古代火星曾出现液态水,但当前的火星却是另一番景象。现在的火星几乎没有大气层,绝大多数地区不可能存在无污染的纯净液态水,地表的压力也不足以形成液态水。
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      季节性冰冻湖在火星上随处可见,证明火星表面存在水
      在向火星派遣探测车前,科学家就发现了强有力的证据,证明火星曾是一个水世界。随着对火星表面展开勘测,这样的证据像雨水春笋般不断出现。“机遇”号火星车发现了赤铁矿球,某些球似乎彼此相连。如果不是液态水,我们很难给出一个合理的解释。
      火星一度拥有与地球类似的富含二氧化碳的大气层。因此,科学家认为会在火星上发现石灰岩或者其它碳酸盐岩。但无论是“海盗”号登陆器还是“旅居者”号、“勇气”号和“机遇”号火星车,都没有发现这些岩石的踪迹。
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      在火星上发现的类似干河床的地貌
      直到“凤凰”号着陆器登陆火星,我们才在这颗星球发现碳酸钙,但数量仍少的可怜。这些碳酸钙可能是不断蒸发的水体在最后阶段的产物。地球上的碳酸盐岩深度达到数百米,某些区域甚至超过1000米,火星上则没有这样的特征。
      这是困扰科学家的一大谜团。20年前,科学家普遍认为火星失去二氧化碳的方式与地球相同,即被海洋吸收,而后被禁锢在碳酸盐岩中。但火星车的发现推翻了这种假设。它们不仅没有发现碳酸盐,反而发现了更令人吃惊的东西——富硫矿。“机遇”号发现的黄钾铁矾完全改变了火星研究。
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      “机遇”号在火星上发现的赤铁矿球
      这些发现让科学家描绘出一幅与地球截然不同的火星图画。在地球上,海洋的PH值基本呈中性,非常有利于碳酸盐岩的沉淀析出。即使在富含二氧化碳的环境,碳酸仍能导致较高的PH值,足以让碳酸盐析出,进而让石灰岩和白云石遍布地球的每一个角落。
      但硫却让整个故事发生戏剧性变化。如果早期火星的大气层不仅富含二氧化碳,同时还含有大量二氧化硫,地表水不仅受到碳酸的影响,同时还受到硫酸的影响。如果海洋拥有足够的酸性,便会产生与地球相反的反应,即陆地的碳酸盐被吸入海洋,留下富含硫的沉积物。
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      圣维森特角,火星维多利亚陨坑边缘存在类似地貌
      这能够解释火星的海洋和地表化学特征,但这同时也意味着科学家需要找到一个完全不同的机制,解释火星大气层的最终归宿。一些科学家指出火星大气可能逃逸到深空。
      曾经的火星可能与地球非常相似,也拥有磁场,保护它免遭太阳风侵袭。不过,火星的直径只有地球的一半,地核的密度和个头也不及地球。随着火星的冷却,一度活跃的磁场发电机陷入沉寂。这可能是火星命运的一个转折点。失去了防护性磁盾,没有任何东西能够保护火星大气层免遭太阳风粒子的屠戮。
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      “机遇”号发现的佩森脊(Payson Ridge),如何形成仍是一个不解之谜
      这种假设是否成立?火星是否以这种方式失去大气层,进而剥夺火星支持地表液态水存在的能力,沦为一片冰冷的荒漠?美国宇航局的MAVEN任务希望找到这个问题的答案。MAVEN任务的目标是测算太阳风剥离当前火星大气层的速度,进而推算火星历史上的大气层损耗速度。
      太阳风虽然威力巨大,但二氧化碳等分子拥有很大的重量,很难将它们加速到逃逸速度。磁场的消失和太阳风袭击“双管齐下”是否能形成一种可行的机制,让火星从一个富含大气和地表液态水的世界沦为现在的荒芜之地?
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      磁场保护地球免遭太阳风侵袭,火星没有磁场,大气层不断被太阳风剥离
      根据MAVEN任务的研究,平均每秒有100克火星大气逃逸到太空。发生耀斑时,太阳风的强度超过正常水平,导致逃逸的大气数量增至20倍。如果大气层更为致密,同等强度的太阳风能够以更快的速度剥离大气。
      在没有磁场抵御太阳风的情况下,只需1亿年就能让一颗火星级星球的大气层损耗殆尽。在火星的历史上,可能有长达10亿年时间,地表存在大量自由流淌的液态水。但随着火星环境发生剧烈变化,这颗原来拥有适居性的星球最终沦为荒漠。
    “孪生”地球的悲惨命运:为什么火星最终沦为一颗红色死星
      由于没有磁场的保护,火星大气层不断被太阳风剥离
      火星和地球的早期大气层都含有大量二氧化碳。地球的二氧化碳被海洋吸收,禁锢在碳酸盐岩中。由于海水酸性过高,火星无法做到这一点。二氧化硫的存在导致火星海洋富含硫酸。硫酸导致了火星车和着陆器发现的火星地貌特征。太阳风则是火星大气层消失的罪魁祸首。
      在MAVEN任务的帮助下,科学家描绘出火星的悲催历史。40亿年前,火星的地核陷入沉寂,磁场消失,导致太阳风不断剥离火星大气层。由于磁场的保护,地球得以披上一件蓝色的外衣,在可预见的未来仍旧是一片生机勃勃的景象。但对于火星这样的小个子行星,它们的生命在很久以前就已经终结。