本期文章將會為你帶來：
解密NASA的MAVEN航天器發(fā)現(xiàn)火星是如何失去大氣層的。
火星，這顆紅色的行星曾經(jīng)與地球沒有太大的不同。
火星沒有磁場來保護它免受太陽風(fēng)的侵襲。那么未來的火星移民需要如何應(yīng)對？
40億年前的火星 Credit：NASA
火星的直徑只有地球的一半，質(zhì)量只有地球的百分之十一，而且它所處的位置與太陽的距離要大得多，火星遭受了與地球非常、非常不同的命運。在我們的星球上，海洋蓬勃發(fā)展，生命也繁榮昌盛，而火星卻變得寒冷、干燥，而且非常、非?；臎?。即使新發(fā)現(xiàn)的火星表面存在液態(tài)水，也改變不了火星以一種與地球截然不同的方式進化的事實。如果不完全了解這是如何發(fā)生的，非常合理的擔(dān)憂是，有一天地球可能會效仿，最終變成一片荒涼的荒原，在那里，任何幸存的生命都將被降級到極端的地方，而不是無處不在。
火星和地球，按比例顯示我們的母星比我們的紅色鄰居大得多 Image credit: NASA
探測器“馬文號”（MAVEN）數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：在太陽風(fēng)暴期間，火星被太陽風(fēng)的等離子體擊中時，大氣的惡化程度顯著增加。大氣層向太空逃逸，在火星氣候變化的過程中可能起到了關(guān)鍵作用（據(jù)稱發(fā)生在距今42億-37億年前），從二氧化碳為主的稠密大氣（這種大氣環(huán)境可以保持火星足夠溫暖，讓表面的液態(tài)水保持穩(wěn)定），轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀內(nèi)缃窨吹降暮涓稍锏沫h(huán)境。全球性磁場的衰減讓這種轉(zhuǎn)變成為可能，因為火星內(nèi)核冷卻，關(guān)閉了形成保護磁層的“發(fā)動機”。如今，火星高層大氣中的氣體分子，被太陽風(fēng)中的紫外線和高能帶電粒子轟擊，解離后的離子也被“挾持”著帶入太空。
點擊下方視頻更加形象的解釋了這一現(xiàn)象：
如今的火星沒有全球性磁場，但是通過“火星全球勘測者號”能探測到火星表面巖石的剩余磁場。熾熱的巖漿冷卻，火星表面巖石記錄了當(dāng)時的磁場環(huán)境。地球的北極和南極不時地翻轉(zhuǎn)，地球磁場的變化可以從巖石中反映出來。特別是，當(dāng)?shù)貧难笾屑箶U張時，中線兩側(cè)的凝固巖漿巖的磁性，呈現(xiàn)出對稱的條紋圖案，實際上，這就像一個磁帶記錄器?！盎鹦侨蚩睖y者號”發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)度180度和南緯60度的南半球高地中，磁條的磁性最強。而低洼的北方大平原、塔爾西斯火山區(qū)、奧林匹斯山和埃律西昂平原，以及像海拉斯盆地這樣的主要盆地，都沒有發(fā)現(xiàn)這樣的磁條。有趣的是，雖然火星磁場與火星表面最古老的地質(zhì)單元有關(guān)，也就是坑坑洼洼的南半球高地，但磁條和單一地貌之間并沒有相關(guān)性。這說明，火星的地殼很早就被磁化了，隨后，在北半球的低洼地區(qū)，形成了大型火山區(qū)，掩蓋了早期磁化的火星表面。而這些新形成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有被磁化。這一事實表明，火星最初的強磁場，如今已經(jīng)大量減弱了。
在正常情況下，火星以每秒略高于100克的速度失去大氣層。
在太陽活動增強期間，這一速度可以增加到每秒2千克以上。
太陽風(fēng)暴會在地球上產(chǎn)生極光，在火星上會產(chǎn)生如此壯觀的極光，足以覆蓋整個火星。
Image credit: NASA GSFC
我們還了解到，火星大氣流失是逐漸增加的，持續(xù)了好幾千萬，甚至上億年，這就意味著兩件非常重要的事情：
1. 如果早期火星表面有生物存在，而且大氣的變化足夠平緩，我們有理由相信這些生物可能會進化找到合適的避難所，在那里它們有可能存活至今。
2. 如果我們想要通過給火星人工打造一個濃密的大氣層，從而使火星地球化，那么在達到適宜的改造程度前，這些生物還要再堅持幾百萬年。
有意思的是，如果我們對火星放任不管，那么按照現(xiàn)在火星大氣層的流失速度，再過20億年，火星上將完全不再有空氣，徹底變成像水星或月球那樣的星球。
在大小上與地球相比的太陽系的大衛(wèi)星?；鹦堑拇笮∨c木星的木衛(wèi)三大致相同。
Image credit: NASA, via Wikimedia Commons user Bricktop; edited by Wikimedia Commons users Deuar, KFP, TotoBaggins.
科學(xué)家預(yù)言，火星上沒有磁場的問題遲早會在未來人類開展火星殖民計劃的情況下得到解決。許多人認為，火星上的磁場問題是必須要去解決的，因為這樣可以穩(wěn)定火星的大氣層，他們甚至還認為，嘗試去恢復(fù)火星上的大氣層是毫無意義的，除非磁場問題能夠得到解決。然而，事實并非如此。毫無疑問，由于沒有磁場，所以火星的大氣層是由太陽風(fēng)帶到外層空間的。但是，如果我們能夠在火星上創(chuàng)造出和地球一樣的大氣層，那么太陽風(fēng)要想帶走大氣層的百分之一，則大約需要一百萬年的時間。所以這不是問題，而是太陽輻射對殖民者健康的影響。其實，火星上的太陽輻射并不像人們普遍所認為的那樣嚴重，也就是說，從短期來說，穿著太空服的人一旦進入到了太空中不一定會死亡。然而，當(dāng)人們在火星上建立了永久定居點時，隨著時間的推移，火星上的居民將逐漸遭受到因輻射增加而引起的各種疾病的折磨，主要是增加患癌癥的數(shù)量，以及導(dǎo)致新生兒患各種基因異常的疾病。
如何解決這個問題呢？對此，科學(xué)家提出了許多方法，用來保護火星殖民者免受輻射的有害影響。下面，讓我們來看看幾個主要的：
1.把“谷神星”的衛(wèi)星放置在圍繞火星的軌道上。從理論上講，圍繞火星運行的大天體，其引力可當(dāng)作一個混合器作用于火星的核心，這樣可以再次融化并啟動火星的冰凍核心。
2.用于破壞火星核心的強大核武器。從理論上，是可行的，但現(xiàn)實難度可想而知，火星半徑3395公里，如何才能鉆到這樣的深度然后把核武器投放到火星地核中去呢？就說在我們地球上，人們鉆井的最大深度才為10公里左右，更何況是在火星上。
3.制造一個行星電磁鐵。其想法是這樣的：在火星的赤道上鋪設(shè)一個超導(dǎo)體的螺線管，并將其連接到一個強大的電流源。盡管這個項目需要一個真正巨大的努力和巨大的成本，但最重要的是，它是最“現(xiàn)實”的，因為它不需要發(fā)明一種全新的東西。
4.僅在可居住區(qū)域創(chuàng)建人工磁場。要實現(xiàn)這一點，可在可居住區(qū)域放置一個強大的電磁鐵，進而產(chǎn)生磁場來保護殖民者免受太陽輻射的有害影響。此外，如果要逃避太陽輻射的影響，有人還提出，可以在火星地下建立居住點，雖然火星土壤本身的厚度將是抵御輻射的良好保護，但這大大限制了殖民者的活動或工作。
5.在火星的L1拉格朗日點放置磁偶極子，制造環(huán)繞整個星球的人工磁層阻擋太陽風(fēng)和輻射。拉格朗日點是兩個天體系統(tǒng)中的點，在這兩個天體中，這些天體的重力相互平衡或由其他力進行補充。一個質(zhì)量遠小于火星質(zhì)量的物體被放置在拉格朗日點中的一個點上，它將能夠無限期地停留在其中。
為了測試這個想法，由來自阿姆斯研究中心、哥達德太空飛行中心、科羅拉多大學(xué)、普林斯頓大學(xué)以及盧瑟福阿普爾頓實驗室科學(xué)家組成的研究團隊針對他們的人造磁層進行了一系列的微縮實驗。研究發(fā)現(xiàn)，火星L1拉格朗日點的偶極磁場能夠抵消太陽風(fēng)，實現(xiàn)火星大氣層的新平衡。目前，火星大氣通過火山噴發(fā)和凝結(jié)達到了平衡，但表面氣壓僅為6毫巴(低于地球海平面氣壓的1%)。如此，火星大氣層將隨時間自然變厚，增加了人類探索和殖民的可能性。據(jù)格林和他的同事稱，這將引起平均溫度上升4攝氏度，足以融化北極冰帽的干冰并引起溫室效應(yīng)，從而進一步加熱大氣，融化冰帽的冰川。根據(jù)計算，格林和他的同事估計這將使火星的海洋規(guī)?；謴?fù)到數(shù)十億年前的七分之一，促進當(dāng)前和本世紀中葉的人類火星殖民計劃。一個在氣壓和溫度方面增強的火星大氣層，能使地表存在大量的流動水，對科學(xué)和2040年代以后的人類探索大有助益。此外，增強的大氣層將允許更大重量裝備降落到地表，防御大部分宇宙和太陽粒子輻射，擴展氧氣提取的能力，提供‘流動空氣’溫室使得植物生長生存。
雖然地球磁場可能不能完全屏蔽太陽風(fēng)暴，但我們的磁場使我們能夠保持我們的氮氣/氧氣大氣層，而且這種情況應(yīng)該會保持數(shù)十億年。
Image credit: NASA
對于目前地球上的人類來說，好消息是地球上的磁場沒有顯示出任何短期內(nèi)停止的跡象。核心中的發(fā)電機可能會做翻轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之類的事情，交換南北磁極，但在可預(yù)見的未來，我們應(yīng)該繼續(xù)受到地球磁場的保護：可以肯定的是，至少在數(shù)十億年內(nèi)。可以想象，有一天我們可能會遭受與火星相同的命運，但我們的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)和活躍的、動態(tài)的核心應(yīng)該至少在太陽照耀的時候保持地球磁場的作用！
不管怎樣，人類要想在火星上生活，目前的科技水平可能還達不到要求，也許永遠也不能實現(xiàn)，但是，只要我們把殖民火星作為一個長期目標(biāo)，在實現(xiàn)這個目標(biāo)的過程中不斷創(chuàng)造出新的技術(shù)，發(fā)展新的科學(xué)，就會給人類文明帶來不可估量的利益，所以，一切皆有可能！
