火星大部分大气去哪儿了?太阳风吹跑了

2015 年 11 月 6 日  科学宇宙

  北京时间11月6日凌晨3点,美国宇航局召开新闻发布会公布了“火星大气与挥发分演化探测器”(MAVEN)的重要发现。“火星大气与挥发分演化探测器”(MAVEN)俗称“马文号”,是世界首颗专门研究火星大气的探测器,它发现了火星由早期温暖湿润,表面可以支持生命存在的环境,变成今天干燥、寒冷星球的关键性原因。

  “马文号”发回的数据使研究人员能够确定今天太阳风剥离火星大气的速度。调查结果显示,在发生太阳风暴期间,如日冕物质抛射等现象时,火星大气逃逸速度显著增加,甚至提高10到20倍,这一研究成果发表在了11月5日出版的《科学》和《地球物理学研究快报》上。

  NASA科学副总监、前宇航员约翰·格伦斯菲尔德(JohnGrunsfeld)介绍说:“火星早期拥有一个较厚的大气,足以支持表面存在液态水,这对生命产生至关重要。明白火星大气的演化历史对我们了解其他行星大气层的演变非常有帮助,知晓什么原因导致行星表面从可以有微生物存在到变得不再拥有生命很重要,这也是美国宇航局载人火星计划正在解决的一个重要问题。”

  左图:没有磁场的保护,火星大气层不断被太阳风剥离;右图:拥有全球性磁场的地球偏离太阳风高能带电粒子流,保护了地球大气。(腾讯太空配图)

  太阳风是一股高能带电粒子流,主要由质子与电子组成,由太阳上层大气射出,时速可以达到160万公里/小时。在经过火星上层大气时,太阳风带来的磁场会产生电场,并电离火星大气中的原子形成离子逃逸到太空中去。

  “马文号”最新探测表明太阳风剥离火星大气层的速度在100克/秒。而在数十亿年前,早期太阳活动非常活跃的时候,火星大气层被太阳风剥离的速度要比现在高很多。在2015年3月发生的数次太阳风暴中,“马文号”监测到火星大气丢失速度加快。数十亿年间的太阳活动(太阳风和太阳风暴等)是火星大气层大量丢失,改变火星气候的重要原因。

  相比较火星,地球因为有磁场的保护使太阳风带来的高能粒子流发生偏转,保护了地球大气。虽然早期火星也拥有像地球这样的全球性磁场,但是火星体积只有地球的15%,比地球小得多,因此火星地核冷却的比地球快,地质活动趋缓,磁场消失,大气变薄使液态水无法稳定存在。

  此前“马文号”已经监测到太阳风和紫外线如何剥离火星上层大气。新的研究结果表明,火星大气丢失来自三个区域:一个是太阳风经过火星大气后,在火星后面形成的“离子尾”;另一个是火星两极大气粒子逃逸形成的“羽流”;还有在火星周围扩展开的气体云。“马文号”的科学小组确定火星大气被剥离的离子75%源自“离子尾”,另外有25%源自南北两极形成的“羽流”,而扩展的气体云丢失大气较少。

  火星远古时期拥有丰富的液态水,今天火星表面遗留的众多河谷和只有水参与才能形成的各种矿物质都是当时大量液态水存在的证据。在30亿年前,火星的大气密度要比现在高的多,气候也温暖的多,当时的火星表面存在河流,湖泊,甚至液态水组成的海洋。

  虽然今年9月NASA公布利用“火星勘测轨道飞行器”得到现在火星表面仍存在季节性出现的盐水流淌的证据,但是今天的火星大气实在太单薄太冷,使液态水无法长期或大量的在火星表面存在。

  来自美国宇航局戈达德太空飞行中心,“马文号”项目科学家乔·格列波斯基(JoeGrebowsky)说:“太阳风的不断剥离是火星丧失大部分大气的主要机制,这也是造成火星气候显著变化的重要原因。马文号也研究了其他损失过程,比如氢原子或离子逃逸的影响等,但这些只会增加大气逃逸的重要意义。”(桂林)


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