火星大氣消失之謎

鄭永春

2015年11月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）公開發(fā)布了馬文號(hào)關(guān)于火星大氣探測(cè)的“重要發(fā)現(xiàn)”，是繼發(fā)現(xiàn)火星液態(tài)水存在的證據(jù)之后，又一振奮人心的消息。那么，這個(gè)“重要發(fā)現(xiàn)”究竟有多大含金量？不賣關(guān)子了，讓筆者為您娓娓道來。

經(jīng)過幾十年的火星探測(cè)，許多新發(fā)現(xiàn)不斷沖擊著人類的想象力，給我們帶來探索未知世界的驚喜。我們?cè)绞橇私饣鹦牵瑢?duì)火星內(nèi)部、火星表面和火星大氣之間的相互聯(lián)系就越清晰。火星是否具有適合人類移居的潛力？火星上是否存在液態(tài)水？火星氣候是如何變遷的？回答這些問題的關(guān)鍵，就是了解火星不同系統(tǒng)之間的相互作用，以及這些作用隨時(shí)間變化的歷史。

? 地球有全球性的偶極磁場(chǎng)，帶電的太陽(yáng)風(fēng)離子被磁場(chǎng)屏蔽在大氣層外圍，從而保護(hù)了地球大氣不被“吹走”（圖片來源：NASA）

“發(fā)現(xiàn)者”馬文號(hào)

馬文號(hào)（MAVEN）是火星大氣與揮發(fā)物演化探測(cè)器的英文縮寫，是世界上第一顆專門用于研究火星高層大氣的探測(cè)器。它于2013年11月18日發(fā)射，2014年9月22日進(jìn)入環(huán)繞火星的橢圓軌道，目前已在軌探測(cè)一年多。它曾在火星北半球發(fā)現(xiàn)了紫外線極光，并在高層大氣中探測(cè)到神秘的塵埃云。

除了馬文號(hào)之外，目前還有3顆探測(cè)器正在環(huán)繞火星探測(cè)，其中包括NASA于2001年發(fā)射的奧德賽號(hào)火星軌道器和2005年發(fā)射的火星勘測(cè)軌道飛行器，以及歐洲航天局（ESA）在2003年發(fā)射的火星快車軌道器。此外，在火星表面還有兩輛火星車正在開展巡視探測(cè)，分別是2003年發(fā)射的機(jī)遇號(hào)和2011年發(fā)射的好奇號(hào)。

與耗資26億美元、研究火星表面地質(zhì)和物質(zhì)組成的好奇號(hào)火星車不同，馬文號(hào)是第一顆探測(cè)火星高層大氣的探測(cè)器，大部分時(shí)間，它都會(huì)在近火點(diǎn)約150千米、遠(yuǎn)火點(diǎn)6000千米的橢圓軌道環(huán)繞火星運(yùn)行;但也曾數(shù)次下降到距離火星表面125千米處，即火星高層大氣的“最下邊界”，以獲得不同高度的火星大氣分析數(shù)據(jù)。

火星大氣去哪兒了？

前文說過，科學(xué)家們?cè)诨鹦潜砻婊蛞欢ㄉ疃榷紱]有發(fā)現(xiàn)充足的含碳礦物，這些證據(jù)否認(rèn)了人們?cè)?jīng)的猜想——火星上曾經(jīng)濃厚的二氧化碳被埋藏到地下。那么，會(huì)不會(huì)有一種可能：火星大氣逃逸、消散到太空中，可能是火星氣候變化的主要原因。馬文號(hào)就通過測(cè)量火星高層大氣與太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)的相互作用，研究出了火星大氣的逃逸過程。

原來，由于火星沒有全球性的磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)可以直接抵達(dá)火星，將火星高層大氣中的帶電離子驅(qū)趕走。而我們所身處的地球，由于有磁場(chǎng)的保護(hù)，帶電的太陽(yáng)風(fēng)離子就無法直接抵達(dá)地球大氣層。這也致使太陽(yáng)風(fēng)離子對(duì)地球和火星上的大氣產(chǎn)生了不同的影響。馬文號(hào)測(cè)量了火星大氣中離子的總逃逸速率及其速率變化，探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過去40億年中，火星大氣粒子逃逸對(duì)氣候變遷有巨大影響。

據(jù)探測(cè)，火星大氣的逃逸主要發(fā)生在三個(gè)區(qū)域：一是火星面向太陽(yáng)風(fēng)一側(cè)，該側(cè)火星大氣被太陽(yáng)風(fēng)電離后“吹”到火星陰面并逃逸出大氣層，占大氣逃逸總量的75%;二是極區(qū)上空，占火星大氣逃逸總量約25%;三是繞火星的延展云層，僅占火星大氣逃逸總量的很小一部分。不僅僅是太陽(yáng)風(fēng)，不時(shí)出現(xiàn)的太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)火星大氣的影響更為顯著。尤其是在太陽(yáng)系形成早期，太陽(yáng)風(fēng)暴出現(xiàn)的幾率更為頻繁。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴擊中火星大氣層時(shí)，大氣逃逸速率將提高約10～20%。平均每秒約有100克的火星大氣被“吹走”，相當(dāng)于兩個(gè)雞蛋的質(zhì)量。

目前，火星上仍殘存著稀薄的大氣層。而在太陽(yáng)系的八大行星中，火星的自然環(huán)境與地球最為相似，是唯一經(jīng)改造后適合人類長(zhǎng)期居住的天體。科學(xué)界越來越清晰地認(rèn)識(shí)到，火星是人類面臨重大災(zāi)難時(shí)最有可能去的避險(xiǎn)地。此次馬文號(hào)對(duì)火星大氣消失之謎的關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)，將有助于進(jìn)一步了解這顆神秘的紅色行星，并為實(shí)現(xiàn)人類首次登陸火星提供重要依據(jù)。

? 馬文號(hào)火星探測(cè)器（概念圖）