這就是為什么火星是紅色和死氣沉沉，而地球是藍色和生機盎然。

終于，科學家知道了為什么兩顆最宜居的行星有著迥然的命運。

想象一下我們太陽系剛誕生時的情景，那是在數(shù)十億年前了。當時太陽比現(xiàn)在更冷、更暗，但是（至少）有兩顆行星——地球和火星——它們表面的大部分地區(qū)被液態(tài)水所覆蓋。由于存在包括二氧化碳在內(nèi)的大量溫室氣體，兩個星球都沒有變成冰雪世界。甚至在二者的海洋之中，已經(jīng)開始有最原始的生命形態(tài)存在，并且正在為光明而宜居的未來打基礎。

火星和地球，從規(guī)模上看，地球比我們的紅鄰居要大得多，對生命更友好?；鹦?，這顆紅色的行星，沒有磁場來保護它不受太陽風的侵襲，這意味著它可能會以地球沒有的方式失去大氣層。(美國航天局)

在過去的幾十億年中，兩顆行星都經(jīng)歷了巨大的變化。由于一些奇妙的原因，使得地球變得富含氧氣、溫度適宜、并且親眼目睹了生物大爆炸，而火星卻簡單地完全死了，海洋和大氣消失，沒有發(fā)現(xiàn)生命跡象。兩個相似的星球卻有著不同的遭遇，這其中定有緣由?？茖W家經(jīng)過了幾十年艱苦卓絕的研究，終于解開了謎團。

三葉蟲石灰?guī)r化石，來自芝加哥菲爾德博物館。所有存在至今或早已石化的生物都可以追溯到一個生活在距今大約35億年前的共同祖先身上。在過去的5.5億年間發(fā)生的大多數(shù)事件都被保存和記錄在地球沉積巖的化石之中。（JAMES ST. JOHN / FLICKR）

地球的一個絕妙特點就是生命的歷史被寫在了化石的檔案里。千百萬年的沉積物被保存在陸地上、海洋中，各種各樣的生物在其中留下了它們的痕跡。

地球上所有的沉積巖中有大約10%是石灰?guī)r，其組成成分經(jīng)常含有海洋生物的遺骸，例如珊瑚、阿米巴原蟲、海藻、浮游生物以及軟體動物。石灰?guī)r主要由碳酸鈣組成，當然也會有鎂和硅的存在。

白堊紀-古近紀地層間有著十分明顯獨特的界線。就是這樣薄薄的一層火山灰以及它的元素組成，告訴我們造成生物大滅絕事件是隕星。地球表面覆蓋著數(shù)百米深的沉積巖，其中10%都是石灰?guī)r。

“碳酸鹽”的成分是所有石灰?guī)r及沉積于海洋的礦石（例如富含鎂的白云巖）共有的。大氣中二氧化碳的存在造就了這些碳酸鹽巖石：大氣中的氣體CO2被海洋吸收直至達到一個平衡點，溶于海洋的二氧化碳與水中的各類礦物（例如鈣、鎂等）結合，它們形成晶?；蛘呋瘜W沉淀物，然后被沉積在海底，最終形成了沉積巖。

我們在地球上發(fā)現(xiàn)的石灰?guī)r既有生物來源，也有地球化學來源，這使得它成為地球表面最豐富的巖石之一。一般認為，地球上絕大多數(shù)早期的二氧化碳大氣最終都形成于地表的石灰?guī)r中。

季節(jié)性的冰凍湖泊遍布了火星，表明其表面存在著水（非液體）。這只是證明火星曾經(jīng)擁有大量水的眾多證據(jù)之一。(ESA/DLR/FU BERLIN (G. NEUKUM))

大量的證據(jù)表明，火星曾是一個水世界。季節(jié)性的冰層不僅存在于兩極，而且還廣泛分布于火星表面的眾多盆地和隕石坑中。一個個U字形的干涸的河床——就像在地球上那樣——“流”過大地。在這顆紅色星球上，有大量證據(jù)表明古代水流進入了巨大的海洋盆地，甚至可能包括潮汐韻律。

這些特點雖然證明了火星在遠古時代擁有大量液態(tài)水，但是現(xiàn)在的火星可完全不是這樣的。現(xiàn)在的火星大氣層稀薄的可憐，以至于在火星上的大多數(shù)地方，純凈、無污染的液態(tài)水實際上是不可能存在的。而微弱的大氣壓也無法支持液態(tài)H2O的存在。

這些在火星上發(fā)現(xiàn)的彎曲成U形的地理特征形成于淙淙徐流接近干涸的階段。只有自由流動的液態(tài)水才能造就如此地形，而冰川流動、風蝕或者其他任何方式都是不可能的。(NASA / MARS GLOBAL SURVEYOR)

早在在火星車登陸前，火星曾經(jīng)擁有大量水的證據(jù)已經(jīng)十分充足了。但是當我們真正地去探索火星表面時，證據(jù)就變得過于有力以至于無法忽視了。機遇號火星探測車發(fā)現(xiàn)的球形赤鐵礦石幾乎就此幾乎蓋棺定論，特別是人們認為有一些赤鐵礦小球體間的彼此連接只能在有液態(tài)水存在的情況下形成。

因為火星曾經(jīng)擁有類似于地球一般充滿CO2的大氣層，科學家們猜測其表面也會存在著石灰?guī)r和其他一些碳酸鹽巖石。但是實際上并沒有被北歐海盜火星探測器、旅居者火星車、勇氣號火星探測器、機遇號火星探測車所發(fā)現(xiàn)。

機遇號探測器在火星上發(fā)現(xiàn)了赤鐵礦的小球。雖然有形成這些物質(zhì)的機理，但并不一定會涉及到液態(tài)水，甚至在理論上也沒有已知的機理可以讓他們不經(jīng)過液態(tài)就熔合在一起（就像發(fā)現(xiàn)的那樣）。（美國國家航空航天局，噴氣推進實驗室，康奈爾大學，美國地質(zhì)勘探局）

直到鳳凰號火星著陸器到達時才發(fā)現(xiàn)一些碳酸鈣，甚至是少量的碳氫化合物：可能是由最后階段蒸發(fā)的水體產(chǎn)生的?；鹦巧蠜]有任何類似與地球上數(shù)百米（甚至超過一公里）的碳酸鹽巖。

這讓研究火星的科學家們趕到非常困惑，大概20年前，人們普遍認為火星會像地球一樣失去二氧化碳即流向海洋并在碳酸鹽巖中沉積。但實際發(fā)現(xiàn)并不是如此。事實上，除了碳酸鹽巖，他們還發(fā)現(xiàn)了另一種同樣令人驚訝的東西:富含硫的礦物質(zhì)。特別是機遇號發(fā)現(xiàn)的黃鉀鐵礬徹底改變了故事。

圣文森特角，這里用指定的顏色顯示，是維多利亞隕石坑邊緣眾多這樣的海角之一。這些分層的地層為火星沉積巖的歷史提供了證據(jù)，這也暗示了過去液態(tài)水的存在。機遇號發(fā)現(xiàn)的這種礦物黃鉀鐵礬，這對火星地質(zhì)來說是改變游戲規(guī)則的因素。

這使科學家能夠從地球上描繪出完全不同的火星圖像。在地球上，我們的海洋幾乎是pH顯中性的，這非常有利于碳酸鹽巖沉淀出來。即使在富含二氧化碳的環(huán)境中，碳酸仍會導致pH值高到足以使碳酸鹽沉淀出來，導致在地球表面許多發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r和白云巖。

但硫極大地改變了故事。如果早期的火星大氣層不僅富含二氧化碳，還富含二氧化硫，那么它的地表水就不是受到碳酸的影響，而是受到硫酸的影響，硫酸是化學中最強的酸之一。如果海洋有足夠的酸性，它可能會對地球上發(fā)生的事情產(chǎn)生相反的反應：把碳酸鹽從陸地上吸到海洋中，留下富含硫的沉積物。

佩森嶺，如圖所示，是機遇號在火星上偶然發(fā)現(xiàn)的一個特征，它的起源至今仍無法解釋。在火星上發(fā)現(xiàn)的許多巖石礦床都含有硫，而相對較少的含有碳。這是多年來火星表面最大的謎團之一。

這將解釋火星的海洋和表面化學，但也意味著我們需要一個完全不同的機制來解釋火星大氣層的去向。雖然地球大氣層的很大一部分最終進入了地球本身，但這種解釋并不適合于火星。

也許大氣層不是“下降”，而是“上升”，進入了太空深處。

也許火星就像地球一樣，曾經(jīng)有磁場保護它免受太陽風的侵襲。但是，火星直徑只有地球的一半，且地核密度較低、體積較小，火星的冷卻程度可能足以使它的磁力發(fā)電機安靜下來。也許這是一個轉(zhuǎn)折點：沒有它的保護磁屏蔽，就沒有任何東西可以保護大氣層免受來自太陽的粒子的沖擊。

太陽風以球形的方式從太陽向外輻射，讓太陽系中每一個星球的大氣層都有被剝離的危險。雖然地球的磁場今天很活躍，保護我們的星球不受這些移動粒子的影響，但在今天火星已經(jīng)不再有磁場，甚至也在不斷地失去大氣層。

這是對的嗎？這真的是火星失去大氣層的原因嗎？它剝奪了火星表面有液態(tài)水的能力，并使它變得寒冷、稀疏和貧瘠？

這就是NASA MAVEN任務的全部目的。MAVEN的目標是測量今天火星太陽風吹散大氣層的速度，并推斷出其整個歷史上的速度。太陽風是強大的，但是像二氧化碳這樣的分子有很大的分子量，這意味著很難讓它們上升到逃逸速度。磁場的喪失加上太陽風的作用，能否提供一種可行的機制，將火星從一個表面有液態(tài)水的大氣層豐富的世界轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兘裉焖幕鹦牵?/span>

在沒有磁場的保護下，太陽風不斷地撞擊火星大氣，導致火星大氣層中的一部分粒子被吹走。如果我們今天給火星注入類似地球的大氣層，太陽風會在數(shù)千萬年內(nèi)將火星的密度降低到現(xiàn)在的水平。

MAVEN看到的是，火星平均每秒鐘損失約100克(四分之一磅)大氣到太空。發(fā)生耀斑時，太陽風變得比平常強烈得多，上升到通常值的20倍左右。然而，當大氣密度大得多時，同樣水平的太陽風會更快地將其吹走。

沒與任何太陽風的保護，僅僅1億年的時間尺度就足以改變一個火星大小的世界，從擁有類似地球的大氣層到類似于我們在當今火星上所發(fā)現(xiàn)的大氣層。經(jīng)過十億年的時間，液態(tài)水在火星表面自由地沉淀和流動，一小片宇宙歷史足以將火星適宜居住的前景完全摧毀。

機遇號探測器在火星上發(fā)現(xiàn)了赤鐵礦球和小球體。也許它們的形成無須液態(tài)水，但目前已知的形成機制或理論沒有液態(tài)水赤鐵礦球和小球體無法形成。

在鳳凰號火星探測器登陸火星之前，沒有任何一丟丟赤鐵礦球和小球體被發(fā)現(xiàn)。那些赤鐵礦球和小球體極有可能是在水體蒸發(fā)前最后一個階段形成的。與火星相距數(shù)百米（甚至上千米之外）的地球上的鹽巖相比，沒有像在火星上存在的那樣。

這現(xiàn)象讓研究火星的科學家們感覺非常困惑。也許在20多年前，絕大部分人認為火星上的二氧化碳消失的方式與在地球上一樣：消失到大海然后在鹽巖上積存。但探測器發(fā)現(xiàn)的并非如此。事實上，雖然沒有發(fā)現(xiàn)二氧化碳，但令人很驚喜的是探測器發(fā)現(xiàn)了另外的物質(zhì)：硫酸豐富的礦物質(zhì)。特別是機遇號探測器發(fā)現(xiàn)了鐵礬石，讓這次探測之旅意義非凡。

圣文森特岬角，以特定的顏色標注，是維多利亞火山邊緣眾多的岬角之一。地表的不同分層證明了火星上曾有沉積巖，這也暗示了過去曾存在液態(tài)水。機遇號探測器發(fā)現(xiàn)了鐵礬石是火星地質(zhì)學研究中的轉(zhuǎn)折點。這使科學家們描繪了一幅完全不同于地球的火星圖象。地球上，我們的海洋的pH值近乎于中性，這極有利于碳酸鹽巖沉淀出來。即使在富含二氧化碳的環(huán)境里，碳酸也可以導致碳酸值提升至碳酸鹽沉淀出來，從而形成遍布地球表面的石灰石和白云石。

但硫酸很大程度上改變了事情的發(fā)展。如果早期火星的大氣層不僅含有二氧化碳而且還含有二氧化硫，那么火星的地表水不是受碳酸影響，而是受硫酸影響：硫酸是所有化學反應中最強的酸之一。如果海洋的酸性足夠的話，它可能會產(chǎn)生與在地球上產(chǎn)生的截然相反的反應：把二氧化碳從地表吸出來然后注入海洋，使那里有富含硫酸的沉淀物。

這里顯示的佩森嶺是一個由機遇號探測器發(fā)現(xiàn)的火星特征，其起源至今仍無法解釋。在火星上發(fā)現(xiàn)的許多巖石沉積物都含有硫，而碳含量相對較少。這是多年來火星表面的一大謎團。

這將可以解釋海洋和火星地表的化學成分，但意味著我們需要一套完全不同的機制去解釋火星上的大氣層去哪里了。相對于地球大氣層的大部分氣體留存在地球，這樣的解釋對于火星來說是行不通的。

與其說是“下沉”了，也許火星的大氣層“提升”到宇宙中去了。

也話火星，極其像地球，曾經(jīng)有磁場來阻擋太陽風。但只是地球半徑的一半以及在更低密度更小的地核里。也話火星足夠冷以致于活躍的磁場變得不活躍了。也許這是個轉(zhuǎn)折點：沒有了防御性的磁場，沒有任何東西可以保護大氣層免受太陽風的襲擊。

太陽風從太陽呈球狀向外輻射，使我們太陽系中的每一個星球都有被剝奪大氣層的危險。雖然地球的磁場至今仍活躍，保護我們的星球不受這些移動粒子的影響，但火星已經(jīng)沒有磁場了，至今它仍在不斷地失去大氣層。

這樣的解釋對嗎？這確實是導致火星失去了大氣層，使火星的表面無法產(chǎn)生液態(tài)水，讓其變得寒冷、稀疏和貧瘠嗎？

這是美國國家航空航天局MAVEN任務的總體目標。MAVEN任務的目標是測量如今火星上的大氣層被太陽風剝離的速度并由此推斷以往的速度。太陽風威力很強大，但像二氧化碳分子的質(zhì)量大，意味著它們很難逃脫地心引力。那磁場的消失和太陽風能否提供一個可行的機制把火星從富含大氣和液態(tài)水的球體變成今天我們所了解的火星呢？

沒有活躍磁場的保護，太陽風不斷地襲擊火星的大氣層，導致部分組成大氣層的粒子消失。如果我們把如今的火星與類似于地球的大氣層融合，太陽風可僅用數(shù)千萬年即可把它降回如今的密度。MAVEN任務測量到火星平均每秒100克（1/4磅）的大氣逃逸到太空。在耀斑事件中，太陽風比平常強大很多，是正常值的20倍左右。然而，當大氣層的密度更大時，同等的太陽風可以把大氣剝離得更快。

僅需1億年的時間足以把火星大小的星球在沒有任何太陽風的保護下從有像地球那樣的大氣層轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃裎覀冊诨鹦巧峡吹降那闆r一樣。也許10億年后隨著液態(tài)水不斷滲透和在火星表面流動，戲劇性的歷史進程足以把火星宜居前景給摧毀。

火星和地球早期的大氣層都很厚重、質(zhì)量巨大和富含二氧化碳。當?shù)厍蛏系亩趸急晃盏胶Ｑ罄锊㈡i在碳酸鹽巖中時，火星卻無法做到，因為它的海洋酸性太濃。二氧化硫的存在導致火星的海洋富含硫酸。這就是我們用火星探測器和著陸器發(fā)現(xiàn)的火星地質(zhì)，并指出另一個原因—太陽風—作為火星大氣層神秘消失的罪魁禍首。

得益于美國航空航天局MAVEN任務，我們證實了這個確實是火星的實際情況。大約40億年前，火星的核心部分變得不活躍，它的磁場消失，太陽風把它的大氣層給剝離了。擁有完好無缺的磁場，地球在可預見的未來仍將有藍天并生機盎然。但對于更小的球體如火星，它們早已不復存在。最終，我們弄懂了原因。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Ethan Siegel-陳潔燕

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自：https://medium.com/starts-with-a-bang/this-is-why-mars-is-red-and-dead-while-earth-is-blue-and-alive-80af74e91b72

本文由天文志愿文章組-陳潔燕翻譯自Ethan Siegel的作品，如有相關內(nèi)容侵權，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系運營者刪除。

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