火星與地球一樣處于太陽(yáng)系中的宜居帶內(nèi)

隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，我們對(duì)地球資源的開(kāi)采力度逐漸增大，地外資源的開(kāi)發(fā)和利用就必不可少。，作為距離地球最近的星球之一，由于其獨(dú)特的地形地貌，以及與地球類(lèi)似的某些物理特性，引起了人類(lèi)對(duì)火星探測(cè)的濃厚興趣，火星多年來(lái)也一直被科學(xué)家們視為人類(lèi)移民的首選星球。要想了解人類(lèi)在火星上是否可以生存，就要了解火星的環(huán)境，而其中，水和大氣是最為重要的兩大要素。

那時(shí)，火星有較厚的大氣層，地面也有河水流淌

大約在40億年前，地球的近鄰，紅色星球——火星，曾經(jīng)歷了溫暖濕潤(rùn)的時(shí)期，，一些科學(xué)家認(rèn)為，這種環(huán)境使得早期火星成為非常特別的星球——它曾是一顆有機(jī)會(huì)孕育出生命的行星。

早已不見(jiàn)曾經(jīng)的濕潤(rùn)景象

但今天，我們觀測(cè)到的火星十分干旱，，只剩下遍布的火山、無(wú)垠的沙漠以及幽深而干燥的裂谷，液態(tài)水無(wú)法穩(wěn)定地存在于火星表面，主要就是因?yàn)榛鹦堑拇髿鈱犹涮〔荒芫S持住水分。不過(guò)，火星表面干燥的河床，和只能由液態(tài)水的存在而形成的礦物質(zhì)等證據(jù)都表明，古代火星的氣候與現(xiàn)在截然不同，當(dāng)時(shí)應(yīng)該足夠溫暖，大氣層的厚度足以保持水分，很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都有河水在地表流淌。那么，，今天就讓我們來(lái)一探究竟。

水的消失：深埋地表or逃出火星?

至今人類(lèi)已經(jīng)發(fā)射了約50顆火星探測(cè)器

為了探測(cè)火星上與水和生命有關(guān)的信息，。從這些探測(cè)器發(fā)回的圖片我們可以看到，現(xiàn)在的火星表面保留了河床、三角洲、峽谷以及湖盆等可能由地表水活動(dòng)形成的地貌，說(shuō)明火星在遠(yuǎn)古史時(shí)期有大量地表水存在，且其對(duì)火星地形的塑造起了重要作用。

火星的水去了哪里呢?

兩種觀點(diǎn)

關(guān)于火星表面水的消失過(guò)程，科學(xué)界有，一是認(rèn)為火星表面的水以沉積巖的形式存在于火星地表以下;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，由于缺少全球性偶極磁場(chǎng)的保護(hù)，強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)和輻射逐漸剝奪了火星的大氣，水經(jīng)過(guò)蒸發(fā)和電離變成帶電粒子，沿著火星磁力線逃逸出火星大氣。

“火星快車(chē)”(mars express)上搭載的“火星先進(jìn)地下和電離層探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)”(MARSIS)對(duì)火星地表以下的開(kāi)展精細(xì)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)在火星南極高原的冰蓋下1.5km深處存在直徑為20km的湖泊，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)表明火星表層深處可能存在更多穩(wěn)定的液態(tài)水，即火星擁有適合微生物等生命體生存的條件。

2011年，美國(guó)的“火星勘察軌道器”(mars reconnaissance orbiter, MRO)搭載的“高分辨率成像儀”(HiRISE)拍攝到火星表面或亞表層存在季節(jié)性斜坡紋線，經(jīng)光譜分析，季節(jié)性斜坡紋區(qū)域的礦物是溶于水后再沉淀富集而成，這個(gè)結(jié)果提供了現(xiàn)今火星上存在液態(tài)水的有力證據(jù)。

2018年，科學(xué)雜志發(fā)表Dundas 等人的研究成果，他們?cè)趯?duì)火星中緯度地區(qū)的八處斷崖地貌進(jìn)行分析研究之后，發(fā)現(xiàn)火星中緯區(qū)域的地下1~2米至100多米存在大量的純凈水冰。

被太陽(yáng)風(fēng)“偷走”的火星大氣層

缺少全球性偶極磁場(chǎng)的保護(hù)的火星，在強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)和輻射下，它的大氣被逐漸剝奪

前面已經(jīng)提到，科學(xué)界存在一種觀點(diǎn)：。已有的研究也表明，火星的大氣層不是原生大氣層，而是在火星演化過(guò)程中由火星內(nèi)部的脫氣過(guò)程而形成的次生大氣層。很久以前，火星被一層厚厚的大氣層籠罩。而現(xiàn)在的火星大氣卻變得非常稀薄，科學(xué)家們對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。

2013年11月，NASA發(fā)射了“火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)”(MAVEN)探測(cè)器，它的使命是調(diào)查火星大氣失蹤之謎，并尋找火星上早期擁有的水源及二氧化碳消失的原因。入軌一年后，NASA披露了MAVEN火星探測(cè)器關(guān)于火星大氣層稀薄的兩大原因：

磁層作用影響大氣層

第一，：地球具有內(nèi)稟磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層相互作用形成磁層頂，可阻止太陽(yáng)風(fēng)和宇宙輻射射線的進(jìn)入，防止地球大氣的逃逸，充當(dāng)了地球的“保護(hù)傘”。但火星的磁場(chǎng)很弱，約為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的萬(wàn)分之一，太陽(yáng)風(fēng)可以直接抵達(dá)火星，“襲擊”火星的大氣層，NASA認(rèn)為是太陽(yáng)風(fēng)“偷走”了火星的大氣層。

引力束縛影響大氣層

第二，：引力的大小影響了分子的逃逸速度，火星的逃逸速度約為5.03km/s，同時(shí)太陽(yáng)風(fēng)的帶電粒子撞擊大氣層中的分子，讓分子具有更高的速度，使大量氣體逃逸出火星大氣層。

目前火星的大氣層分為低層大氣和高層大氣，由二氧化碳、氮?dú)狻?、氧氣、一氧化碳等組成，其中主要成分為二氧化碳，體積比占95.32%，而氧氣只占0.13%?；鹦谴髿馓右葜饕l(fā)生在三個(gè)區(qū)域：一是太陽(yáng)風(fēng)吹到火星背面，占大氣逃逸總量的75%;二是極區(qū)上空，占大氣逃逸總量的約25%;三是繞火星的延展云層，僅占大氣逃逸總量的很小部分。

導(dǎo)致太陽(yáng)風(fēng)不光吹跑了火星的一些大氣，部分水也跟著“丟了”

火星磁場(chǎng)的消失，?；鹦乾F(xiàn)在十分干旱，火星風(fēng)與塵暴頻繁，火星風(fēng)的平均風(fēng)速達(dá)4.3m/s,在地形交界處的風(fēng)速可高達(dá)50m/s，且常常伴有強(qiáng)烈的塵暴，這也加速火星大氣的劇烈運(yùn)動(dòng)和逃逸。

火星的探測(cè)還有必要嗎?

為了探測(cè)火星，我們?nèi)祟?lèi)“用心良苦”，在已經(jīng)得知火星水源稀缺、大氣稀薄的情況下，繼續(xù)探索火星有什么用呢?未來(lái)的火星探測(cè)又會(huì)有哪些亮點(diǎn)呢?

揭開(kāi)火星的神秘面紗，還需對(duì)火星大氣層成分進(jìn)行更進(jìn)一步的探測(cè)和研究

首先，火星上的水與大氣的演化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，綜合作用因素很多，為了解這個(gè)過(guò)程及特征，。

反演火星的形成與演化

其次，火星上的水冰忠實(shí)記錄著火星過(guò)去的氣候和地質(zhì)歷史，可以幫助我們深入理解火星歷史氣候變化，，追溯火星生命存在的痕跡。

補(bǔ)給來(lái)源

另外，水冰是可以作為將來(lái)登陸火星的宇航員和火星移民的，更可以和二氧化碳(火星大氣中的主要成分)進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生可供人類(lèi)呼吸的氧氣和可供作為火箭推進(jìn)燃料的甲烷。只不過(guò)，唯一的問(wèn)題是，既想著陸器獲得足夠的太陽(yáng)能供給，又想著陸器著陸在一個(gè)富含水冰(緯度不太低)的地方，實(shí)在是挺難的!

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)際上已實(shí)施多次火星探測(cè)任務(wù)。尤其是在2015年NASA正式宣布確認(rèn)火星表面存在季節(jié)性液態(tài)水以后，尋找火星生命痕跡和加深對(duì)火星地質(zhì)演化和環(huán)境宜居性的認(rèn)識(shí)，成為人們關(guān)注且亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題。

2020年是全球火星探測(cè)活動(dòng)非常密集的年份

，美國(guó)的“毅力號(hào)”(Perseverance)火星車(chē)，阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”(Hope)軌道飛行器，和中國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”首次火星探測(cè)任務(wù)都將飛往火星，去探究火星的水、大氣以及生物宜居性的問(wèn)題?；鹦翘綔y(cè)將是中國(guó)行星探測(cè)的第一步，是深空探測(cè)領(lǐng)域從月球到行星的發(fā)展歷程中承前啟后的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是未來(lái)邁向更遠(yuǎn)深空的必由之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐陽(yáng)自遠(yuǎn),肖福根.火星及其環(huán)境[J].航天器環(huán)境工程,2012,29(06):591-601.

[2]Baker, B. R., 2006. Geomorphological Evidence for Water on Mars. Elements, 2(3):139-143. Doi:10.2113、gselements. 2.3.139

[3]McSween. H. Y., 2006. Water on Mars. Elements, 2(3):135-137. Doi:10.2113/gselements. 2.3.135

[4]McEwen, A. S., Hansen, C. J., Delamere, W.A., et al., 2007. A Closer Look at Water-Related Geologic Activity on Mars. Science, 317(5845):1706-1709. Doi:10.1126/science.1143987

[5] 林楊挺.探索火星環(huán)境和生命[J].自然雜志,2016,38(01):1-7.

[6] 火星首次發(fā)現(xiàn)液態(tài)水湖[J].發(fā)明與創(chuàng)新(大科技),2018(08):24

[7]Ojha L, Wilhelm M B, Murchie S L, et al. Spectral evidence for hydrated salts in recurring slope lineae on Mars[J]. Nature Geoscience, 2015,8(11):829-832,doi:10.1038/ngeo2546.

[8]Dundas C M, Bramson A M, Ojha L, et al. Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes[J]. Science, 2018, 359(6372):199-201.

[9]歐陽(yáng)自遠(yuǎn),肖福根.火星探測(cè)的主要科學(xué)問(wèn)題[J].航天器環(huán)境工程,2011,28(03):205-217.

[10].太陽(yáng)風(fēng)“吹”掉了火星“外衣”[J].中國(guó)科技獎(jiǎng)勵(lì),2015(12):71-73.

[11].火星為何最讓人魂?duì)繅?mèng)縈[J].科學(xué)之友,2019(09):8-9.

[12]于登云,孫澤洲,孟林智,石東.火星探測(cè)發(fā)展歷程與未來(lái)展望[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào),2016,3(02):108-113.


1、點(diǎn)擊報(bào)名公益活動(dòng)、觀鳥(niǎo)節(jié)活動(dòng)、科普活動(dòng)
2、點(diǎn)擊了解深圳科普推薦科普?qǐng)D書(shū)
3、點(diǎn)擊報(bào)名夏令營(yíng)、研學(xué)營(yíng)活動(dòng)
4、深圳科普新奇特商品
5、科普培訓(xùn)課程
6、深圳科普各種比賽歡迎參與

?