|
本期文章将会为你带来： 解密NASA的MAVEN航天器发现火星是如何失去大气层的。 火星，这颗红色的行星曾经与地球没有太大的不同。 火星没有磁场来保护它免受太阳风的侵袭。那么未来的火星移民需要如何应对？
40亿年前的火星 Credit：NASA
火星的直径只有地球的一半，质量只有地球的百分之十一，而且它所处的位置与太阳的距离要大得多，火星遭受了与地球非常、非常不同的命运。在我们的星球上，海洋蓬勃发展，生命也繁荣昌盛，而火星却变得寒冷、干燥，而且非常、非常荒凉。即使新发现的火星表面存在液态水，也改变不了火星以一种与地球截然不同的方式进化的事实。如果不完全了解这是如何发生的，非常合理的担忧是，有一天地球可能会效仿，最终变成一片荒凉的荒原，在那里，任何幸存的生命都将被降级到极端的地方，而不是无处不在。 火星和地球，按比例显示我们的母星比我们的红色邻居大得多 Image credit: NASA 探测器“马文号”（MAVEN）数据分析结果表明：在太阳风暴期间，火星被太阳风的等离子体击中时，大气的恶化程度显著增加。大气层向太空逃逸，在火星气候变化的过程中可能起到了关键作用（据称发生在距今42亿-37亿年前），从二氧化碳为主的稠密大气（这种大气环境可以保持火星足够温暖，让表面的液态水保持稳定），转变为我们如今看到的寒冷干燥的环境。全球性磁场的衰减让这种转变成为可能，因为火星内核冷却，关闭了形成保护磁层的“发动机”。如今，火星高层大气中的气体分子，被太阳风中的紫外线和高能带电粒子轰击，解离后的离子也被“挟持”着带入太空。 点击下方视频更加形象的解释了这一现象：
如今的火星没有全球性磁场，但是通过“火星全球勘测者号”能探测到火星表面岩石的剩余磁场。炽热的岩浆冷却，火星表面岩石记录了当时的磁场环境。地球的北极和南极不时地翻转，地球磁场的变化可以从岩石中反映出来。特别是，当地壳从洋中脊扩张时，中线两侧的凝固岩浆岩的磁性，呈现出对称的条纹图案，实际上，这就像一个磁带记录器。“火星全球勘测者号”发现，在经度180度和南纬60度的南半球高地中，磁条的磁性最强。而低洼的北方大平原、塔尔西斯火山区、奥林匹斯山和埃律西昂平原，以及像海拉斯盆地这样的主要盆地，都没有发现这样的磁条。有趣的是，虽然火星磁场与火星表面最古老的地质单元有关，也就是坑坑洼洼的南半球高地，但磁条和单一地貌之间并没有相关性。这说明，火星的地壳很早就被磁化了，随后，在北半球的低洼地区，形成了大型火山区，掩盖了早期磁化的火星表面。而这些新形成的地质结构没有被磁化。这一事实表明，火星最初的强磁场，如今已经大量减弱了。 在正常情况下，火星以每秒略高于100克的速度失去大气层。 在太阳活动增强期间，这一速度可以增加到每秒2千克以上。
太阳风暴会在地球上产生极光，在火星上会产生如此壮观的极光，足以覆盖整个火星。 Image credit: NASA GSFC 我们还了解到，火星大气流失是逐渐增加的，持续了好几千万，甚至上亿年，这就意味着两件非常重要的事情： 1. 如果早期火星表面有生物存在，而且大气的变化足够平缓，我们有理由相信这些生物可能会进化找到合适的避难所，在那里它们有可能存活至今。 2. 如果我们想要通过给火星人工打造一个浓密的大气层，从而使火星地球化，那么在达到适宜的改造程度前，这些生物还要再坚持几百万年。 有意思的是，如果我们对火星放任不管，那么按照现在火星大气层的流失速度，再过20亿年，火星上将完全不再有空气，彻底变成像水星或月球那样的星球。 在大小上与地球相比的太阳系的大卫星。火星的大小与木星的木卫三大致相同。 Image credit: NASA, via Wikimedia Commons user Bricktop; edited by Wikimedia Commons users Deuar, KFP, TotoBaggins. 科学家预言，火星上没有磁场的问题迟早会在未来人类开展火星殖民计划的情况下得到解决。许多人认为，火星上的磁场问题是必须要去解决的，因为这样可以稳定火星的大气层，他们甚至还认为，尝试去恢复火星上的大气层是毫无意义的，除非磁场问题能够得到解决。然而，事实并非如此。毫无疑问，由于没有磁场，所以火星的大气层是由太阳风带到外层空间的。但是，如果我们能够在火星上创造出和地球一样的大气层，那么太阳风要想带走大气层的百分之一，则大约需要一百万年的时间。所以这不是问题，而是太阳辐射对殖民者健康的影响。其实，火星上的太阳辐射并不像人们普遍所认为的那样严重，也就是说，从短期来说，穿着太空服的人一旦进入到了太空中不一定会死亡。然而，当人们在火星上建立了永久定居点时，随着时间的推移，火星上的居民将逐渐遭受到因辐射增加而引起的各种疾病的折磨，主要是增加患癌症的数量，以及导致新生儿患各种基因异常的疾病。 如何解决这个问题呢？对此，科学家提出了许多方法，用来保护火星殖民者免受辐射的有害影响。下面，让我们来看看几个主要的： 1.把“谷神星”的卫星放置在围绕火星的轨道上。从理论上讲，围绕火星运行的大天体，其引力可当作一个混合器作用于火星的核心，这样可以再次融化并启动火星的冰冻核心。 2.用于破坏火星核心的强大核武器。从理论上，是可行的，但现实难度可想而知，火星半径3395公里，如何才能钻到这样的深度然后把核武器投放到火星地核中去呢？就说在我们地球上，人们钻井的最大深度才为10公里左右，更何况是在火星上。 3.制造一个行星电磁铁。其想法是这样的：在火星的赤道上铺设一个超导体的螺线管，并将其连接到一个强大的电流源。尽管这个项目需要一个真正巨大的努力和巨大的成本，但最重要的是，它是最“现实”的，因为它不需要发明一种全新的东西。 4.仅在可居住区域创建人工磁场。要实现这一点，可在可居住区域放置一个强大的电磁铁，进而产生磁场来保护殖民者免受太阳辐射的有害影响。此外，如果要逃避太阳辐射的影响，有人还提出，可以在火星地下建立居住点，虽然火星土壤本身的厚度将是抵御辐射的良好保护，但这大大限制了殖民者的活动或工作。 5.在火星的L1拉格朗日点放置磁偶极子，制造环绕整个星球的人工磁层阻挡太阳风和辐射。拉格朗日点是两个天体系统中的点，在这两个天体中，这些天体的重力相互平衡或由其他力进行补充。一个质量远小于火星质量的物体被放置在拉格朗日点中的一个点上，它将能够无限期地停留在其中。
为了测试这个想法，由来自阿姆斯研究中心、哥达德太空飞行中心、科罗拉多大学、普林斯顿大学以及卢瑟福阿普尔顿实验室科学家组成的研究团队针对他们的人造磁层进行了一系列的微缩实验。研究发现，火星L1拉格朗日点的偶极磁场能够抵消太阳风，实现火星大气层的新平衡。目前，火星大气通过火山喷发和凝结达到了平衡，但表面气压仅为6毫巴(低于地球海平面气压的1%)。如此，火星大气层将随时间自然变厚，增加了人类探索和殖民的可能性。据格林和他的同事称，这将引起平均温度上升4摄氏度，足以融化北极冰帽的干冰并引起温室效应，从而进一步加热大气，融化冰帽的冰川。根据计算，格林和他的同事估计这将使火星的海洋规模恢复到数十亿年前的七分之一，促进当前和本世纪中叶的人类火星殖民计划。一个在气压和温度方面增强的火星大气层，能使地表存在大量的流动水，对科学和2040年代以后的人类探索大有助益。此外，增强的大气层将允许更大重量装备降落到地表，防御大部分宇宙和太阳粒子辐射，扩展氧气提取的能力，提供‘流动空气’温室使得植物生长生存。 虽然地球磁场可能不能完全屏蔽太阳风暴，但我们的磁场使我们能够保持我们的氮气/氧气大气层，而且这种情况应该会保持数十亿年。
Image credit: NASA 对于目前地球上的人类来说，好消息是地球上的磁场没有显示出任何短期内停止的迹象。核心中的发电机可能会做翻转和反转之类的事情，交换南北磁极，但在可预见的未来，我们应该继续受到地球磁场的保护：可以肯定的是，至少在数十亿年内。可以想象，有一天我们可能会遭受与火星相同的命运，但我们的质量、自转和活跃的、动态的核心应该至少在太阳照耀的时候保持地球磁场的作用！ 不管怎样，人类要想在火星上生活，目前的科技水平可能还达不到要求，也许永远也不能实现，但是，只要我们把殖民火星作为一个长期目标，在实现这个目标的过程中不断创造出新的技术，发展新的科学，就会给人类文明带来不可估量的利益，所以，一切皆有可能！ |
|
|
Image credit: NASA/GSFC
火星及其稀薄的大气层，20世纪70年代海盗号轨道器拍摄。Image credit: NASA/Viking 1
Image credit: NASA GSFC
