这是一张经过放大和伪色处理的火星图片,所展示的是火星上一个名为Dao Vallis的巨大的类似流水冲刷过的深沟,宽度达到25英里(40公里),深度达到1.6英里(2.5公里),长度为310英里(500公里)。火星上的这些沟渠,形成原因是否与地表水或者地下水有关联,目前尚无定论。

(图片来源:ESA/DLR/FU Berlin, CCBY-SA 3.0 IGO ,3D渲染和彩色由Lujendra Ojha提供)

尽管火星表面看上去是一片干燥荒凉的沙漠,但在数十亿年前,火星的地下曾经有可能是适宜居住的。一项新的研究表明,火星在远古时期有可能产生足够的地热,融化了厚大的冰层,产生了大量可能维持生命的地下水。

这项研究结果可以有助于科学家们更好地解决几十年来一直被称为“昏暗年轻太阳悖论”的谜题。40亿年前,太阳比现在暗了大约30%——看起来如此暗淡,无法支撑一个持续温暖和潮湿的火星。然而,在那个时代液态水存在的证据有很多,例如,美国宇航局的火星探测车“好奇号”在过去的八年里一直在探索一个曾经存在的古老湖泊和河流系统。这种气候模型和火星地质记录之间的矛盾就是“昏暗年轻太阳悖论”。

火星上的水: 探索与证据

罗格斯大学新不伦瑞克大学文理学院地球与行星科学系助理教授,该研究的主要作者之一Lujendra Ojha在一份声明中表示:“即使像二氧化碳和水蒸气这样的温室气体,在计算机模拟中被注入火星早期的大气层,气候模型仍然难以支持长期温暖潮湿的火星”。

“我和我的合著者提出,如果火星过去有很高的地热,那么,‘昏暗年轻太阳悖论’至少可以部分地被调和,至少在一定程度上是这样”,Ojha说。

Ojha和他的同事们研究了生命所需的内热——由钍、钾和铀等元素的放射性衰变所产生的热量——是否确实在火星的诺亚纪(即41亿年前至37亿年前)产生过液态水。研究人员的注意力集中在火星南部高原上,这一地区当时可能有大冰原。

研究小组利用各种数据集模拟了这些冰原的厚度、行为和演化过程,其中包括美国国家航空航天局的奥德赛火星探测器的观测数据,它自2001年开始就一直在研究这颗红色星球。奥德赛号携带了一台伽玛射线光谱仪,能够让科学家绘制出火星地壳中钍和钾的丰度图。

研究人员确定,在很久以前,从火星地幔和地壳流出的热量可能就足以融化厚冰盖的底层,从而在地下创造出潜在的宜居环境,而不论火星表面的条件如何。

不过,在诺亚时代,大陆表面究竟是什么样的——主要是温暖潮湿,还是大部分寒冷干燥,断断续续地融化喷发——仍然是一个备受争议的话题。但普遍无争议的是,火星在这个时代后不久发生了巨变。这颗行星失去了它的全球磁场,使得它曾经厚重的大气层很容易就被太阳风吹走。大气层的剥离使得火星表面寒冷干燥、辐射肆虐,似乎不适合居住,至少对于类似地球的生命来说是这样。

但是,地下水可能持续存在着,甚至有些含水层可能存在至今。尽管随着地表逐渐干涸,它们可能会下沉得越来越深。

“在这样的深度,水热活动和水-岩反应可能维持生命”,奥哈在同一份声明中说,“因此,地下可能是火星宜居环境中所能维持寿命最长的地方。”

这项新的研究将在线发表于今天(12月2日)的《科学进步》期刊上,它的应用可能超越了火星研究本身。例如,奥哈指出,我们对早期地球上生命出现问题的理解,由于黯淡太阳悖论的影响,反而被复杂化了。他说,很久以前,在使我们的星球适合居住方面,放射性热可能发挥了很大作用。

类似的推理也适用于系外行星。例如,奥哈告诉space杂志,“凭借自身的优势,通过自身产生的放射性热量”,一些离主星轨道太远以至于看起来无法维持生命的外星世界,实际上可能是适合居住的。

这项新的研究结果并不能完全的解释“黯淡太阳悖论”,欧嘉说:“这充其量仅是个部分解决方案”。欧嘉还强调说,鉴于成果来源于元素丰度研究,他和他的团队所得出的热流数值在一定程度上是不确定的。他还说,研究者们希望从火星地下热流的实际测量值中进行反向推断,但并没有此类数据。而美国宇航局NASA于2018年11月着陆火星的“洞察”号火星无人着陆探测器,它所携带的仪器——挖掘式热探针“鼹鼠”,旨在勘探火星地底至少10英尺(3米),恰恰可以收集这些信息。

但到目前为止,火星的土壤阻碍了“鼹鼠”探测器的努力,致使其卡在了火星表面或表面以下。

相关知识

火星是太阳系由内往外数的第四颗行星,也是太阳系中第二小的行星,仅大于水星。在英语中,火星用罗马战神的名字所命名的,且常常被称为“红色星球”[17][18],后一种称呼所指的是火星表面普遍存在的氧化铁产生的影响,其使得火星在肉眼可见的天体中呈现出独特的微红色外观[19]。火星是具有稀薄大气的类地行星,其行星表面令人联想到月球撞击坑以及地球的山谷、沙漠和极地冰盖等地形。

由于自转周期与自转轴相对于黄道平面的倾斜度的相似性,火星上的昼夜与季节均与地球类似。火星上坐落的奥林波斯山(Olympus Mons)是太阳系中最大的火山与已知最高的山脉,也是太阳系中最大峡谷之一的水手号峡谷群(Valles Marineris)的所在地。位于北半球的伯勒里斯盆地占据了火星体积的40%,其平坦的地形很可能是受到巨大撞击的特征[20][21]。火星的两颗卫星:火卫一与火卫二,均体积小且形状不规则,它们可能与火星特洛伊小行星5261(Eureka)类似,均为被火星捕获的小行星。

参考资料

火星大气去了哪?都被太阳吹走了!

太阳在持续不断地向外发出带电粒子流,称为太阳风。当这些带电粒子撞到大气里的气体分子时,它们就能剥离某些分子的电子,把分子转变成带电荷的离子。太阳风很容易拐带这些新产生出来的带有电荷的离子,把它们拖入太空。或者,这些新产生的离子会撞上其他分子,就像台球比赛里的奋力一击,把其他分子撞得四散奔逃。扬可人斯基说,“其中一些就被撞到太空里去了。”

年轻太阳黯淡佯谬

年轻太阳黯淡佯谬或年轻太阳黯淡问题是描述水在早期的地球历史上出现观测和天文物理学的预期之间明显矛盾的状况。当时,太阳输出的能量仅是现代的70%。这一问题在1972年被天文学家卡尔·萨根(CarlSagan)和乔治·马伦(GeorgeMullen)提出,对此一悖论的解释要考虑温室效应、天文物理学个别的影响,或两者结合共同的影响。

这个悬而未决的问题是,由于太阳输出给地球的能量逐渐增加,是如何在很长的时间内维持地球上适合生命的气候。

作者:Mike Wall

FY:Astronomical volunteer team

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