海洋磁场 -海洋磁力测量技术规范

春风里 · 发表于海洋科普 2023-11-18 09:09:21

本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。

想象一下我们的太阳系几十亿年以先的样子。太阳逐渐变暗变冷，而有（至少）两颗星球——地球和火星，仍有液态的水覆盖着它们地表的大部分区域。因为它们的大气中有包括二氧化碳这样的温室气体的大量存在，没有哪个星球因为太阳的原因完全冻结。甚至这时候两个星球上早期的海洋已经孕育了原始的生命形式，这些也为两个星球光明的且有利生物生长的未来铺好了道路。

在过去的几十亿年中，这两个星球都经历了巨变。然而，出于一些原因，地球的地表上，俨然一幅氧气充沛，温度适宜，万物茁壮生长的画面。而火星依然死寂。火星的海洋消失了，大气流失了，没有生命迹象的存在。为什么火星的生命沉寂而地球生机勃发，这一定是有原因的。花了科学家们大概几十年，他们最终找到了答案。

在芝加哥菲尔德博物馆中，三叶虫的化石留存在了石灰石里。所有现存的，且化石化的生物都有着可以追溯到大约35亿年前的的一位共同祖先，且过去5.5亿年发生的所有事大都保存在了地球沉积岩里发现的化石记录中。

地球最惊人的特点之一就是我们世界的历史都一一为化石所记载。在过去的亿万年间，沉积岩保存了来自陆地海洋的各种化石，各样的有机体都在化石里面留下了属于自己的痕迹。

在沉积岩系中，有约10%是石灰岩，石灰岩常常由像珊瑚、变形虫、藻类、浮游生物和软体动物等一些海洋生物的残余物组成，石灰岩的主要成分是碳酸钙，一些石灰岩中还含有镁和硅。

尽管在沉积岩层上，白垩纪-古近纪的边界层是十分明显的，但它看起来只是一层薄薄的灰。但正是这层灰的元素组成，才让我们知道是陨石造成了当时的地球生物大规模灭绝。地球表面几乎到处都是数百米长的沉积岩，但石灰岩大概只占了其中的百分之十。

然而，“碳酸盐”成分普遍存在于地球上的石灰石以及海洋沉积矿物（如富含镁的白云石）里。这是是因为大气中的二氧化碳促进了碳酸盐的生成，大气中的二氧化碳被海洋不停地吸收，直至达到某个平衡点，之后海洋中的二氧化碳就会与海中的矿物（比如钙，镁等）相结合，要么形成晶粒，要么形成化学沉淀物，然后漂坠海底，促使了沉积岩的形成。

我们可以从生物学和地球化学方面解释为什么石灰岩可以遍布地球地表且是地球上数量最多的岩石。人们普遍认为，地球早期大气中的绝大多数二氧化碳最终都储存在了地球表层的石灰石中。

季节性结冰的湖泊遍布整个火星，这是火星表面具有水的证据（并不是液体水），这些也是火星过去存在水的证据。

有海量的证据证明火星过去是有水的。季节性凝结的冰块冰不仅在两极存在，而且在各种各样的盆地和陨石坑中也有很多。干涸的河床通常是如弓般弯曲的，这和地球上的类似——这些痕迹往往贯穿了整片大地。整个火星上遍布了昔日河流入海甚至是曾经潮汐时的痕迹。

这些证据表明可能液态水在火星上曾大量的存在，但如今都不复往日了。反而在如今火星上的大气是如此的少，以至于纯净无污染的液态水已经绝迹了。此外，火星上的气压太低，也不足以使液态的水存在。

在火星上发现，河床出现巨大弯曲的情况只发生在缓缓流动的河流将要干涸的最后阶段。这些痕迹不可能是由冰川的流动、侵蚀造成的，只能是液态水的自由流动留下的痕迹。

甚至在我们用探测器探测火星表面以先，火星上有水存在的证据就有很多了。而当我们认真探索火星表面时，证据就变得过多以至于无法被人们所忽视。火星上的机遇号发现了几乎完全密封的赤铁矿球体，特别是一些看起来是互相连接起来的球体，只有在液态的水存在的情况下这种物质才可能形成。

自从在火星发现了与地球大气类似的饱含二氧化碳的大气，人们就猜测火星表面存在石灰岩和其他含碳的岩石。但北欧海盗号、旅居者、勇气号、机遇号火星探测器并没有发现这些岩石。

机遇号探测器在火星上发现了赤铁矿球体。虽然有形成这类物质的理论，但这些理论并不一定会涉及到液态水，甚至在理论上也没有已知的理论可以让它们在无液态水的情况下就熔合在一起（就像发现的那样）。（美国国家航空航天局，喷气推进实验室，康奈尔大学，美国地质勘探局）

直到凤凰号火星登录器到达火星时才发现了一些碳酸钙产物，甚至是少量的碳氢化合物：可能是蒸发水体的最后阶段产生的。火星上没有任何的岩类和地球上数百米（甚至超过一公里）的碳酸盐岩相类似。

这让这让研究火星的科学家们感到非常的困惑，在大概20年前，人们普遍认为火星就像地球一样失去二氧化碳，流入了海洋并沉积成为碳酸盐岩。但事实上并非如此，除了碳酸盐岩，他们还发现了另一种同样令人惊讶的事物:富含硫的矿物质。特别是机遇号发现的黄钾铁矾彻底改变了人们之前的看法。

维多利亚火山边缘有很多像圣文森特角这样有着特别颜色的海角。在这些地方地面上的分层为火星的证实了火星的沉积岩历史，也意味着过去液态水是存在的。机遇号发现的矿物质铁矾改变了人们对火星地质进程的认知。（美国航天局/喷气推进实验所/科内尔）

铁矾的出现使科学家得以在地球描绘出一个完全不同于以往的火星。在地球上，海洋是呈PH中性的，这非常有利于碳酸盐岩的沉积。纵然在饱含二氧化碳的环境下，碳酸依旧会使环境的PH值达到一个很适宜碳酸盐沉积的数值。这也是地球表面满是石灰岩和白云石岩的原因。但在火星上，硫磺却戏剧性的改变了整个演变的过程。如果早期的火星大气中不仅富含二氧化碳而且有很多二氧化硫，那么火星的地表水不仅会受到碳酸的影响更会受到硫酸的作用（硫酸是化合物中最强的酸）。如果海洋含酸量过高，那么火星上就不会有类似地球的一系列演变：把碳酸盐从陆地上吸进海洋，留下富含硫的沉积物。

佩森岭，如图所示，是机遇号在火星发现的一处特别的地貌特征，至今人们仍旧无法解释它的来源。很多在火星发现的类似的岩石沉淀物中含有硫，而含有碳的比较少。对人类而言，这也是很多年来火星地表的未解之谜之一。（美国航天局/喷气推进实验所/科内尔）

这也解释了火星海洋和火星地表的化学机制，但这也意味着我们需要一个完全不同的机制去解释火星大气的去向。因为地球大部分的地球大气都流入了地球本身，而这种解释根本不能适用于火星。

也许火星的大气层没有“下降”，而是“上升”，进入了太空深处。

也许火星就像地球一样，曾经有磁场保护它免受太阳风的侵袭。但是，火星直径只有地球的一半，且地核密度更低、体积更小，也许火星的温度足够低时会使它的磁场消失。也许这是一个转折点：没有了保护它的磁场，就没有任何东西可以保护它的大气层免受太阳粒子的冲击。

太阳风以螺旋状辐射的形式从太阳出发，使太阳系中的每个星球都暴露在大气层为之剥夺的危险之中。如今地球的磁场依然保护我们的星球免受这些高能粒子的冲击，而这是火星所没有的，甚至现如今火星的大气仍在不停地流失。

这是对的吗？火星真的是这样失去了它的大气层，使地表的水不能再以液态的形式存在，并使它变得寒冷、荒凉和贫瘠吗？

这是美国航天局专家号航天任务背后的主要目的。专家号航天任务的目标是测量如今火星大气被剥离的比例，并以此推算各个时期火星大气的比例。太阳风的能量是巨大的，但是像二氧化碳这样的分子有很高的分子量，这意味着很难让它们达到逃逸速度。磁场的丧失与太阳风的耦合能否提供一种可行的机制，将火星从一个表面有液态水的大气充裕的世界转变为我们今天所知道的荒凉贫瘠火星？

在没有有效磁场保护的情况下，太阳风不断地袭击火星的大气层，导致大气层一部分粒子和大气层本身被冲走。如果我们今天把火星注入类似地球的大气层，那么太阳风依然可以用几千万年把火星的大气吹回现在的密度。

专家号测量到，火星平均每秒就要失去每100g（1/4磅）的大气。在燃烧事件里，太阳风会变得比正常时强烈得多，这个增幅大约是平时的20倍。然而，若星球的大气密度越大，相同强度的太阳风会越快地把它冲入太空。

不受太阳风的任何保护的情况下，1亿年时间尺度就足以改变一个火星大小的世界，将像地球这样的大气层转变为像是如今火星上的大气层。在经历了大约十亿年的液态水在火星表面肆意流动的日子后，一小段宇宙中的时间就足以把太阳风将火星适宜生命居住的前景摧毁掉。

火星和地球早期的大气层都是厚重，巨大且饱含二氧化碳的。地球的二氧化碳被海洋所吸收，并为碳酸盐岩锁在内部。因为火星的海水中富含硫元素，所以它并不能走上和地球同样的道路。漫游者和登陆者探索到的地质地貌也和此有关，并也指向了另一个原因——太阳风，是神秘失踪火星大气的罪魁祸首。

多亏于专家号的航空任务，我们得以证实这个事件的真实性和了解它的过程。四十多亿以先，火星的地核变得不再活跃，它的磁场消失，太阳风开始将火星的大气裹挟着涌向太空。因为地球的磁场相对而言完璧无瑕，我们的星球将在不可预知的未来里仍旧保持蔚蓝且生机勃发。但在一个较小的跟火星一样的世界里，它们的时间早已走到了尽头。在最后我们也知道了原因。

作者: medium

FY:张晚知

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