NASA的MAVEN任務成功破解火星迷失大氣的奧秘

天文在線 發佈 2020-01-06T13:22:20+00:00

圖源Allaboutmars在大多的視角里,火星是迄今為止我們所探測到的最像地球的行星。它有著一個被水淹沒的歷史、大量的被侵蝕的痕跡、裸露的沉積岩、火山、雲層、冰蓋、沙丘以及乾涸的河床等特徵,這裡的地質學歷史的有趣程度能與我們棲居的行星相媲美。

圖源Allaboutmars

在大多的視角里,火星是迄今為止我們所探測到的最像地球的行星。它有著一個被水淹沒的歷史、大量的被侵蝕的痕跡、裸露的沉積岩、火山、雲層、冰蓋、沙丘以及乾涸的河床等特徵,這裡的地質學歷史的有趣程度能與我們棲居的行星相媲美。

圖解:(火星小知識/尺寸)地球直徑7926英里,火星直徑4220英里,月球直徑2159英里, 圖源Allaboutmars

但火星的半徑只有地球的一半,位於距離太陽相對更遠的地方,火星因此經歷著一個與地球截然不同的命運。不管在我們星球的何處,海洋布及之處就有生命的繁榮印記,火星卻顯得寒冷,乾旱並且非常荒涼。儘管在火星表面發現了液態水,也沒能改變火星和地球演化道路上分道揚鑣的狀況。缺乏對於這一事件的知識,對於地球走上趨同的命運的恐懼將向我們逼近: 以荒廢結束,任何欣欣向榮的生命存在的地方都將化為極端的荒地,這些荒蕪將比我們視野所觸及之處更加遼遠、廣泛。

圖解:(火星小知識/重量)如果你在地球上有45.5kg,那麼你在火星上只有17.3kg, 圖源Allaboutmars

圖解:(火星小知識/距離)太陽到地球和火星軌道的平均距離, 圖源Allaboutmars

NASA制定了MAVEN計劃(Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission火星大氣以及揮發物演化任務)來研究火星是如何變成如今的模樣的。通過衡量火星大氣層和太陽的互動,分子和離子如何在深層空間中漲落和丟失;檢測太陽風暴,電暈和其他的大氣層效應。我們不僅能了解到如今火星上在發生什麼,也了解到它如何變成這麼一個荒蕪的世界。並且,在2013年發起的MAVEN計劃,有著和巡視器,著陸器和其他環火星衛星交流的能力,這意味著它能不用憑藉每20分鐘一個來回的與地球間的互動信號來作業,從而從多種角度提取提取有效的數據。

圖解:MAVE計劃 圖源:Wikipedia

MAVEN計劃宣布了他們的第一個科學結果,伴隨著極度精確的信息,這個結果給與了我們的期望一個巨大的確認。

在太陽系形成的早幾百萬年里,水在火星上充裕和活躍,以海洋,河流,雨以及更多形式存在著。

然而,在火星形成的一億年間,它的球極磁場改變了,星球上的保護的主要能源被太陽風暴帶走。

就如在火星大氣層頂端的衡量里,太陽風暴這一快速移動的粒子裡(大多都是質子),以一百萬邁這一驚人的速度(447,000m/s,大約是光速的0.15%)撞擊著這顆紅色行星。

圖解:一場太陽風暴正在接近火星。圖源:NASA

與太陽風對撞的例子移動如此之快,以至於他們有足夠的能量從火星的重力逃離;火星的大氣層因此每秒都在損失100克的質量。

圖解:太陽風和火星大氣層上端交互,但在地球上時卻因為地球磁場偏轉而過。圖源:NASA

另外,太陽風暴的發生,巧合地擊打著火星的大氣層,就如現在地球經歷的一樣。當這些粒子順著我們星球的漏斗狀磁場進入磁極時,產生極光,火星缺乏磁場意味著火星一整顆行星都在經歷風暴。就算是在最弱的風暴下,大氣層丟失的速率也能上升10-20個百分點(這不只意味著每秒丟失四分之一磅的質量,也意味著每秒都在經歷著最糟糕的重大遺失)。並且在整個行星的表面都能看到極光,極其壯觀。

我們也了解到大氣的丟失時循序漸進的,將要花上幾千萬年到幾億年,這意味著兩個重要的點:

如果早期的火星表面有生命,緩慢改變的大氣足以讓我們相信這些生命可以在這麼一個時間裡找到合適的位置並且延續至今。

如果我們決定通過使用人工土地來改造火星從而創造一個緻密的大氣層,它就能夠生存幾百萬年直到我們需要補充它之前。

有趣的是,如果我們對火星什麼都不做,現今的大氣層丟失速率意味著火星將要在接下來的兩百萬年內完全變成一個無氧星球,把它變成一個類似水星或月球一樣的行星。

並且,這樣的過程也有著其它因素導致,Maven計劃並不能簡單地向大眾解釋背後的原因。如果火星被小行星包圍,火星大氣層質量嚴重丟失的情況一樣會發生;如果太陽耀斑在太陽系的早期更常見的話(這裡僅做假設),早期的火星大氣層丟失將會更劇烈;其它的原因例如濺鍍,熱量丟失以及光化學過程都可能導致大氣層的丟失。Maven只透露給了我們其中一個因素,剛好是我們認為的最主要致因之一。

好消息是Maven計劃不止達到了期望的目的,其從某種程度上來說還超越了其設計的有效性,更像是一個等待機會的人。最大的兩個驚喜就是光彌散,一個遍布整個星球的極光,也被叫做「(transient metal layers)瞬態金屬層」現象,也就是當星際塵埃和火星碰撞時我們所能看到的現象。這將留下一層稀薄但富含重元素(大多數為金屬元素)的表層於大氣層上端。就如計劃還在進行,我們還可能知道更多的信息。


對於我們來說的好消息是,地球上的磁場沒有展現出任何立即停止的跡象。它的核心能量可能會翻轉和轉變,南北極對調,但是我們應該繼續保護太陽風所導致的可預見未來:至少在幾億年之後。我們應該想像得到,有一天我們將遭受和火星同樣的命運,但是我們卻是在太陽將我們烤成脆片的很久之前就預先達到了這般境地。


參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. Ethan Siegel- Ethe- forbes

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