科学家首公布火星内部详细构造 和地球大不同

7月23日消息，当地时间周四，美国国家航空航天局（NASA）根据“洞察号”火星探测器所采集的数据发布了第一张详细的火星内部结构图，结果显示火星内部结构与地球有很大差异。

NASA的“洞察号”火星探测器一直在收集火星震动数据。周四发表在《科学》杂志上的三篇论文利用“洞察号”所采集的数据对火星地质构造进行了深入分析，这也是人类首次获得其他行星的内部结构图。论文指出，整个火星就像是多种糖果组成，其外壳被巧克力状的火山岩分成两到三层，之下的火星幔有着巨大坚硬、像太妃糖一样的填充物。而火星核心更轻，根本不像牛轧糖，特别是外核更像是一坨糖浆。

图示：火星内部结构图

人类对行星内部结构的研究已经进行了很长时间。1889年，人类首次发现上层坚硬致密而下层柔软高温的地球地幔，继而分别在1914年和1935年确定了地球的液态外核以及固态内核。人类也曾对月球进行过类似探测，阿波罗登月任务宇航员就将地震仪留在月球表面。

人类对火星也进行着同样的探测活动。伦敦大学皇家霍洛威学院地震学家Paula koeleeijer说，这项研究工作使用了有史以来技术最先进的地震仪，代表了“行星地震学的一次重大飞跃”。

早期研究任务只是对火星内部结构尺寸和性质进行了粗略估计。但“洞察号”对火星震动的调查让火星内部结构分析更为精确，科学家可以用“洞察号”采集到的震动数据来模拟火星演化模型。

“洞察号”的发现也将有助于科学家研究其他行星。“如果你是一个医生，只给一个病人做过手术，就不会成为很好的医生，”论文合著者、NASA喷气推进实验室行星地震学家马克·潘宁(Mark Panning)说。

“化学证据表示，火星更像是我们地球的表亲而不是兄弟姐妹。它确实是存在于早期太阳系的古老遗迹，”日本东京地球生命科学研究所地震学家克里斯汀·豪瑟(Christine Houser)说。

金星则被认为是地球的孪生兄弟。为什么火星在地质结构上与地球和金星如此不同？在过去的两年时间里，“洞察号”研究了火星磁力、绕太阳运行时的晃动以及由火星震动产生的震动波。

大多数火星震动发生在浅层。但也有一些来自更深的地方，抵达“洞察号”所处位置之前在火星内部反复传播。震动波在穿越不同物质时速度和方向都会改变，所以科学家可以利用这些深层震动来了解火星内部结构。

这并非易事。单一地震仪意味着科学家们只能观察到火星上的一个区域，而不是整个星球。而且，要构建详细的火星内部结构图，能探测到大量穿过整个星球的强震才比较理想。但火星上发生的震动强度从来没有超过4.0级。

尽管面临诸多挑战，但科学家最终证实，火星南部高地的外壳较厚，而北部低地的外壳较薄，科学家推测可能很久以前这里有过海洋。火星外壳的平均厚度在24到72公里之间。火星外壳可能有上中下三层，其中上层主要是被陨石击碎的火山岩，中间层是更连贯的火山岩，而科学家暂时还无法确定下层的结构特性。

和地球一样，火星幔比外壳要厚得多。上地幔是坚硬致密的岩石，也是地球上不断变化的构造板块基础。相比之下，上层火星幔厚度可能是上层地幔的两倍，甚至要更厚。

这“可能是我们在火星上看不到板块构造的简单解释，”论文合著者、瑞士苏黎世联邦理工学院地球物理学家阿米尔·汗(Amir Khan)说。这种刚性可能阻止了火星上层分裂成多个构造板块，使其表面并不像地球这样有山脉、海洋、盆地、平原、峡谷等如此多样的地貌特征。

火星幔的结构也给科学家明白，为什么一个曾经拥有亚利桑那州那么宽火山、喷发熔岩流甚至可以覆盖整个英国的行星现在地质活动并不活跃。

一个行星的火山活动和板块构造活动本质上源自热量从行星内部传导到外壳。抵达“洞察号”的震动波表明，现在火星幔相对较冷，使得火星表面并不容易产生大规模地质活动。

“洞察号”还发现，火星幔整体厚度约为地幔的一半。由于缺乏隔热层，火星在年轻时常常剧烈喷发，加剧了热量损失。此外，火星体积的更小，其在形成初期有大量热量辐射到太空中。

火星幔的整体厚度可能也有助于解释为什么仅仅在诞生7亿年后，火星的保护性磁场就消失了。地球磁场是由液态外核内的铁镍循环流动提供动力。据推测，火星也有类似的循环，但其内部的快速冷却导致这些物质流动停止，磁场也随之消失。

火星没有磁场来保护自身不受太阳大量辐射，火星大气层就像纸屑一样被吹走了。曾经频繁出现在火星表面的水大量逸散到太空中，把火星变成了寒冷荒漠。

“洞察号”还探测到了火星核心。火星核心半径为1800公里，比科学家预期的要大。它的密度也不高，这是“到目前为止我们发现的最有趣结果之一，”阿米尔·汗说。

由于地球比火星大得多，地核密度相当大，所有重量都把地核压在了一起。而火星很小，其核心压缩程度应该略低一些。但“洞察号”发现，火星核心密度只有地球一半，这是行星核心致密理论无法解释的。

这意味着火星核心一定是由不同物质组成的。和地球一样，其中仍然含有大量的铁和镍，但也有相当一部分是诸如氧、碳、硫和氢等较轻元素。火星核心非同寻常的化学成分是其独特形成历史的又一线索。

关于火星内部结构仍有许多未解之谜。“洞察号”并未探测到足以穿过火星核心的强大震动波。所以科学家仍不清楚火星是否像地球这样有一个固态内核。目前只能确定，火星有一个液态外核。与地球的外核相比，火星外核更像浆糊，移动缓慢。

火星震动本身仍然令人困惑。这可能是探测行星内部结构的关键，但其起源仍存在很大争议。例如，浅层震动在火星冬季更强烈更频繁。“这很奇怪，因为在地球上没有明显的季节性地震，”论文合著者、瑞士苏黎世联邦理工学院地震学家西蒙·斯塔勒（Simon St?hler）说。

“洞察号”的科学考察活动已经延长到2022年12月，随着其探测到更多火星震动波，这些谜团可能会得到解决。但是，“洞察号”探测器太阳能电池板上积聚的灰尘可能会让机器人在一年内宕机。

今年2月份，NASA的“毅力号”火星车登陆火星杰洛陨石坑，在这片曾经的河流三角洲寻找火星是否存在微生物的迹象。本周三，“毅力号”火星车项目负责人詹妮弗·特罗珀(Jennifer Trosper)宣布，团队已经测试了火星车最重要的功能之一：打开一个手指大小的样品管，密封并储存在火星车内。

“毅力号”火星车的主要目标是在杰洛陨石坑提取至少20个不同岩芯。这些火星样本将于2031年被送回地球进行研究。火星车团队现在正准备在今年8月份提取并储存第一个岩石样本。

“毅力号”火星车将彻底改变人们对火星表面的科学认识。“洞察号”则打开了通往火星地下世界的大门。这些任务意味着，总有一天人类会像了解地球一样了解火星。