数亿年以前的火星，是一个与现在寒冷干燥的火星相比所不一样的星球。简单来说，它有一个厚且温暖的大气层，并且地表有液态水流动，甚至可能存在过生命！火星拥有如此环境的原因是，火星与地球一样有着由地核活动产生的行星磁场。然而，当火星的磁场消失后，它的环境便发生了急剧地变化。

数年来，科学家们都认为火星的磁场在40亿年前就消失了，磁场的消失导致火星的大气层被太阳风慢慢地吹走。根据不列颠哥伦比亚大学（UBC）指导下的最新研究，该研究为“火星的大气层是何时消失的”提出了新的界限。研究表明，火星磁场存在的时间与人类以往的认知相比要早，持续存在的时间要长数亿年。

研究报告详细述说了研究人员的发现，这个研究由一位不列颠哥伦比亚大学（UBC）地球、海洋与大气科学系的博士后研究生安娜▪米特霍尔兹（Anna Mittelholz）指导下完成，被刊登在《科学发展》期刊上。行星科学协会（PSL）的高级科学家卡特琳娜▪约翰逊（Catherine Johnson）和一个全球性团队的研究人员也加入了安娜▪米特霍尔兹的研究队伍。

图解：在一段时间里，火星拥有一个和地球相似的磁场，它保护了火星的大气层免于被吹走。图源：美国航空航天局（NASA）

像地球一样，火星的全球磁场被认为是其地核内部活动产生的发电机效应的结果。当地核中的液态外核环绕在固态外核周围时，发电就会产生，环绕的方向与火星自转的方向相反。不幸的是，磁场的消失导致火星的大气层在随着时间的推移下被剥落，大气层逐渐变得像今天一样薄。

科学家们把这种情况归因于火星较低的质量和密度（相对于地球而言），这样的结果是火星内部冷却的速度更迅速。它使火星的外核变成固态，从而阻碍火星的发电机效应。同时，由于火星内部的压力太低以至于无法凝固，它的内核被人们认为是处于一个液体的状态。

过去，科学家们依靠火星地表上和地表下的磁石进行研究，以此来重新构建火星磁场的历史。其中，科学家们着重依靠火星上的火山岩进行研究。这种类型的岩石起源于火星的地幔，它们随着火山运动被带上地表或者是重新回到地表。当岩浆暴露在地表并冷却后，岩石内部的矿物使岩石自身与全球磁场处于同一线条上。

科学家们在检查完地表岩石的磁化样本后发现了一个在43亿和42亿年前之间活跃的发电机。然而，从成形于39亿年前的希腊（Hellas Basin）、阿盖尔（Argyre Basin）和伊希地（Isidis Basin）三个大盆地中取得的岩石样本却让科学家们得出这段时间没有活跃的发电机的结论。

不过，在分析完从美国航空航天局的火星大气层和挥发进化的马文号（MAVEN）轨道飞行器中获得的新数据后，一个不同的图像展现在研究团队面前。正如米特霍尔兹在最新的不列颠哥伦比亚大学报纸所解释的：“我们发现火星的发电机在45亿年前（4.5GA，GA是地质学时间单位，1GA=10亿年）和37亿年前已开始运作。发电机运作的时间是火星演变的一个重要部分，然而我们的发现远不同于我们目前的认知。发电机会告诉我们一些关于火星的热历史、进化进程的知识，以及火星是如何变成今天的样子的，这对于每一个类地行星而言，如地球、木星、金星、水星，它都是独一无二的。”

图解：火星与马文号的图片。图源：美国航空航天局

过去关于火星上磁力的数据是由火星全球勘测卫星（MGS）收集而来的，它在1999年至2006年间围绕这颗红色星球的轨道运行。在很大程度上，这次的NASA任务是在距离火星地表400公里（250英里）的地方进行观察。马文号任务在2014年开始围绕火星轨道运转，自从它在距离火星地表135公里(84英里)的距离运作开始，它便能够接受到微弱的信号。马文号的新数据使科学家们发现了一个清晰证据，这个数据是来自卢卡斯平原上熔岩流的磁场，这个熔岩形成于37亿年前，熔岩流展示了火星磁场的证据。这说明火星磁场仍然存在的时间比其他地区先前提出时间要持续的更久。

图解：卢卡斯平原熔岩流。来源：美国航空航天局

正如不列颠哥伦比亚大学的地球、海洋和大气层系科学家、米特霍尔兹的学术顾问约翰逊所解释的：“新发电机的年龄来自磁信号和年轻的熔岩流（3.7GA）的相关性。特别地，我们在熔岩流的小口上看到一个磁场信号里的洞，这个火山口穿透到流体的底部。由此我们知道这个小火山口消除了磁场信号：这告诉我们磁石存在在岩浆流中，不只是埋藏在更加深的地下。熔岩流的年龄根据火山口的年龄计算。

另外，他们注意到在星球北半球的北极盆地（Borealis Basin）上存在着一个低强度磁场。这是火星上最老的地貌之一，成形于45亿年前，这个时候的火星才1亿岁。这两个发现说明在火星历史上很早就存在发电机，且它持续的时间比许多科学家认为的还要长5亿年。

图解：火星的北极盆地是位于本火星地形图北方以蓝色表示的广大低平区域。它的椭圆形状被火山地形（红色中间偏左区域）破坏部分区域。来源：维基百科

为了解释希腊，阿盖尔和伊希地盆地里没有磁石的原因，研究人员提出了两种可能。一方面，发电机有可能在盆地形成前就停止了，之后又重新启动。另一方面，撞击活动取代地壳运动形成了三个盆地，而地壳包含着具有强烈磁性的矿物质。

图解：火星上的杰泽罗Jezero火山口是美国航空航天局的毅力（Perseverance）探测器的着陆点。来源：美国航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院（JPL-Caltech）/美国学生联合会（ASU）

无论如何，这些结果揭示了火星的地理历史和内部结构的新发现。正如约翰逊所解释的：“过去，如果一个岩态行星或者月球有一个像地球一样的全球磁场，无论是现在还是过去，它会告诉我们那个时候行星内部深处的情况。而且，对37亿岁的发电机的研究后的结果表明，火星的发电机可能在火星处于一个非常不同的气候条件时期下时已经处于运作状态，特别是许多山谷网络形成的这段时期。”

特别的，正因马文号有接受来自地表和靠近地表的较小地貌中提取信号的能力，使研究人员能够去判断该年老的岩石是来自地表还是来自埋藏在深处的地壳。无论如何，这些新的发现让科学家们开始思考，如果他们可进行更近距离的观察，他们可以找到什么？

毕竟，火星充满了坑，未来的任务是更靠近的研究它们，特别是在涉及火星漫游车或者着陆气球的地方。比如，毅力探索者将于2021年着陆在火星上，它将着陆在杰泽罗火山口，这个地方坐落在伊希地盆地的边缘。除了寻找火星在过去有居住条件的证据（还有过去的生命，祈祷吧！）它还可以揭示火星过去的地质情况。

杰泽罗火山口位于希腊盆地的边缘，一个大型的撞击盆地。在这个火星轨道镭射测高仪图片，紫色指低海拔，红色指高海拔。来源：美国航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院（JPL-Caltech）/美国学生联合会（ASU）

作者: universetoday

FY: EvaYuhuaChen

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选文：天文志愿文章组-

翻译：天文志愿文章组- EvaYuhuaChen

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词