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洞察火星——为了同源殊途的历史

溯鹰 发表于  2018-11-30 22:51

北京时间11月27日凌晨,洞察号探测器就要在我们的红色邻星表面着陆了。

它是人类向火星发射的第8个火星探测器,作用和前辈们大不一样。它不像凤凰号那样专注于“听风舞尘”(测听大气流动、分析火星土壤成分),也不像好奇号那样天天优哉游哉(其实并不)给地球发到此一游的照片。它的主要作用,是弄清楚火星内部的物理性质——如它的岩石圈粘度、密度、热导率等。

火星地表的“世界地图”。图中白点代表目前已经登陆火星的探测器的着陆点。INSIGHT是洞察号的预计着陆地。图片来源:维基百科

斥资数亿美元,把一个能装进飞机肚子里的小不点送到亿万公里开外的火星,难道就是去测几个物理参数么?

(是的。智慧文明就是这么浪,这是咱的特权。)

俗话说得好:“识人识面不识心”。人们对火星并不陌生:这颗红色的光斑早在几千年前就映在了老祖宗的眸子里,早在几百年前就在伽利略的镜筒里扩展成了一个两极清晰可辨的球体——然而,就算在好奇号已然给人们传回了大量火星表面照片的当下,人类也依然回答不了这么一个很基本的问题:火星内部到底是什么样子?

而这,就是洞察号的使命。

上天容易入地难

入天外的地,难上加难。

地球咱们都熟悉。这颗蔚蓝色的行星,其实有着一个“鸡蛋状”的构造。一如鸡蛋分为了蛋壳、蛋白和蛋黄,咱们的地球,也分为地核、地幔、地壳3个圈层。

这样的知识就像常识一般印在人们的印象中,就仿佛人人都能看到地核、地幔和地壳一样。但仔细一想,其实根本不对劲。人类迄今为止往地下打的最深的钻探,也不过仅仅钻了12公里深。12公里是个什么概念呢?大概相当于北京西三环到东三环的距离。相比之下,地球大陆地壳的常规厚度是30-50公里,而地球的直径则是12 567公里。

连地壳一半儿都没有钻穿,你还指望看到地球内部的世界?显然不可能嘛。那人们是怎样知道地球内部的圈层结构呢?

靠地震波。

地震波是一双“顺风耳”,可以看到肉眼看不到的世界。就像声波是空气的振动一样,地震波便是大地的振动,它们都属于机械波。机械波在不同介质中的传递速度不一样,遇到介质交界面时,则会发生折射和反射,和光的功能非常类似。我们双眼之所以能够看到不发光的物体,便是因为射向物体的光线经过反射之后进入了眼睛,从而勾勒出物体的轮廓。既然机械波在地下也可以反射,倘若我们拥有一双能够“看到”(其实比喻成“听到”更合适)机械波的“眼睛”(耳朵),岂不是就能知晓地下的轮廓和结构,知晓纷繁多彩的地下世界了?

是的。所以人类派出了洞察号,让它贴着火星地面去“听一听”那颗红色星球上的地震。

洞察号到火星,将探测火星地表之下的内部构造。图片来源:维基百科

但另一个问题是:火星已经几乎没有内部地质活动了,哪里来的地震波可以收听呢?

首先,“火星内部没有地质活动”本身就是一个没经过证实的推测,而不是科学事实。洞察号的前任们,从来没有就相关问题开展过研究。洞察号这次去火星的目的之一,本身也是为了弄明白到底火星上会不会出现一些天然内部地震。

其次,就算没有火星内部活动,地壳的震动也是可以通过外界因素诱发的。在地球上,人们部署地震勘探工程时,便通过人工震源来释放机械波。火星上显然没有人工震源,但有一些“热心分子”会积极地前来帮忙——它们便是小行星。由于没有大气层的保护,每年都会有一些小行星能够成功撞上火星地表,然后激发地壳,发生振动。对于洞察号来说,每一次小行星撞上火星,就是一次难得的“收听机会”。

另外,洞察号还携带了一个热传导测量仪,能够搞清楚火星地核中的热量到底要经过多久才能传到地表。于是,洞察号一方面通过接收地震波在火星内部不同结构之间反射,勾勒出火星的圈层结构;一方面,通过计算热导率来估算深部物质的组分。两者一结合,火星的内部,基本上就对人类“开放全息”了。

洞察远方,实乃洞察历史

了解火星内部的圈层属性,并不是人类的终极目的。根本的目的,是想让火星讲讲它亿万年来的演化回忆录。而这份回忆录,或许写满了早年火星与地球一同共享、却已经被地球忘却了的故事。

太阳系有8颗行星。这8位太阳神的巨子,有着不同的身份特征。靠内的这4位,即水星、金星、地球和火星,是由岩石构成的。而靠外的4位,即木星、土星、天王星和海王星,则主要由气体和冰构成。8颗行星都是在45亿年前的太初时代,由无数尘埃围绕着太阳逐渐吸积变大而形成。有这么一个常识,就是离太阳越远越冷(废话),所以靠近太阳的部分只有岩屑才能幸存下来,冰尘只能集中在远离太阳的外侧地带。这就导致靠内的4颗行星最终形成了岩石质地的躯干,而外部的巨行星则是冰核和云气的聚合物。

地球和火星,这紧密相邻的两兄弟,都是岩质行星,共享着相同的起源和相同的原始组分特征。但后续的情况用不着解释也知道:一个生机勃勃、演化出了智慧生命;另一个荒芜冰冷,几乎毫无生气。

或许我们会说,这是“宜居带”使然。的确,在太阳的温度梯度下,地球确实落在能够让水维持液态的距离内。但根本的问题是,如果一颗星球连液体都“抓不住”、如果一个星球表面压根就储存不了热量,纵然你落在宜居带内又有什么用呢?围着咱们转的月亮也在宜居带内,可液态水能在月亮上保存吗?并不能呀。

事实上,是这么一个根本原因,决定着行星最终的分化方向。它并不是什么高深的物理变量,而是任何人都再熟悉不过的,我们对万事万物的最直观印象——

个头儿。

行星的个头,决定了它们最终分化的方向。图为地球和火星的大小对比。图片来源:维基百科

行星的大小,几乎决定着它们“生命”中的一切!个头大,表明最初吸积时能储集更多的内能;个头大,表明内部放射性物质的绝对含量会更多;个头大,表明裹在地核外头的“隔热层”非常厚,不容易放凉;个头大,表明着引力大,能够聚集更多地表物质,比如水圈和大气圈等…… 一言以蔽之,大个子的行星更热、更持久、引力更强。

这就带来了很多好处:热量更持久,可以让内部维持超长时间“待机”,也就是长时间维持内动力地质作用,然后驱动岩石圈分裂为板块,诱发构造活动,不断更新地表环境。引力更大呢,可以让地表维持稳定的大气层,从而为地表多变的气候提供基础条件。当地下和地表都具备了长时间活跃条件时,还要看第3个影响因素:只有个头足够大的岩质行星才能持续维持一个熔融态的外地核,从而形成一个包裹全球的磁场,保护着地表的水圈和大气层不剧烈的太阳风给刮走。

事实很明白:所有这些优势,都是属于咱地球的。可对于想追溯历史的人来说,活跃就是一个很麻烦的事情了。活跃不息的地质运动支撑着生物圈38亿年来的活跃;但地质运动——加上生物圈本身,都是爱折腾的主儿。今天沧海、明天桑田,40多亿年来回变幻翻动,早把太初时代那些珍贵地质史料摧残得面目全非。

小不点火星呢,早在30多亿年前就已经冷却了。人类需要的恰恰是这份早年的冷却。它凝固的地核,是历史;它死气沉沉的岩石圈,是历史;它僵硬不动的地层,是历史;它干涸的湖盆、它永眠的火山,还是历史。

人类不是没有想过,亿万年前的火星上,同样有着持恒不挠的造山与填壑。所谓的板块运动,是地球自家维持生命的无二珍宝。

——但前提是,你要确认它的岩石圈内部有遭受应力而褶皱的痕迹。

人类不是没有想过,亿万年前的火星上,同样有着温暖的季节与汹涌的大洋。所谓外动力地质作用,是今日地球自家表层活跃不羁的现实。

——但关键是,你要确认它的岩石圈浅部也有相应的沉积盖层。

人类也不是没有想过,亿万年前的火星上,曾经萌生了最原初的生机。那第一抹曙光是否依旧存在,它沉睡在何处?人们期望过,猜测过,也一次次的试探过。

——但问题是,我们终归没在火星找到确凿的能支撑早期生物存活的环境遗迹。

所以,问题太多,而真正看到的、证实到的,又太少。既然知道真相就埋在那里,现在条件成熟了,何不过去看一看,瞄一瞄呢?一来二往,这眼界便有了突破。在这个节点上,名为洞察号的探测器飞了过去,并在火星上着陆,或许便是我们的历史起源真正揭晓之时。(编辑:Steed

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全部评论(10)
  • 1楼
    2018-11-30 23:26 在雨夜
    引用文章内容:也不过仅仅钻了12公里深

    为什么我总是觉得十二公里比一万两千米远呢?

    [1] 评论
  • 2楼
    2018-12-01 00:24 地球上的裸猿

    个头太大了,可能会有另外的麻烦。

    [2] 评论
  • 3楼
    2018-12-01 14:15 天降龙虾

    火星人,你们再不从地下出来,我们就主动去敲门了啊。。。。

    [2] 评论
  • 4楼
    2018-12-01 19:43 汉尼拔wang

    现在的科普文章越来越浪了,想安安静静的读一篇枯燥的论文就这么难~

    [2] 评论
  • 5楼
    2018-12-02 16:15 地球上的裸猿

    在宇宙中,出现人类智慧这种概率,是不是极小极小的?

    [0] 评论
  • 6楼
    2018-12-03 14:07 天龙的小六

    本来火星人在地底呆的好好的,无知的地球人非要打扰他们的生活。。。

    [0] 评论
  • 7楼
    2018-12-03 18:28 Karlson


    引用@在雨夜 的话:为什么我总是觉得十二公里比一万两千米远呢?

    我就恰好反过来的,因为12000比12大啊,很直观是不是?

    [0] 评论
  • 8楼
    2018-12-03 18:37 Karlson
    引用@地球上的裸猿 的话:在宇宙中,出现人类智慧这种概率,是不是极小极小的?

    别的不说吧,就看哺乳动物的心脏这个时序,要弄出来就不容易。

    看果壳的另一篇文章《什么?原来心脏不是一直在工作的》,那精密的时序,错了点,医生就跟你说心律不齐,后果很严重的。

    要从最开始的氨基酸发展演变出带心脏的动物,得多难啊。而且这个过程,没有程序员来调试,没有雍正爷来治八阿哥(bug),出了一点错,直接这个物种抹去,重新来。亿万年的时间,才能整出一些动物来,而智慧,又是个歪打正着的bug,其实就地球上的生物而言,出现人类这么高的智慧,其实是很没必要的。人类整个就是个bug,而要在这么点动物里,不小心出了一个高智商的bug来,就更不容易了。所以,外星人什么的,我相信有,但是可能一个大星系里勉强能出现那么一个文明,就已经是奇迹了。如咱银河系,你说别的河外星系有高等文明,我信,但是要说银河系内还有其他文明,我还真觉得悬。

    其他的,如宜居环境有多难出现,我都不扯。宜居又怎样?搞不好亿万年也就出现一堆一堆的氨基酸,甚至星球变迁过程中稍微不慎,连氨基酸都没出现。但是也许适合我们人类移居。

    [1] 评论
  • 9楼
    2018-12-07 13:36 OldRayDu
    引用@在雨夜 的话:为什么我总是觉得十二公里比一万两千米远呢?

    正如2700mm第一感觉比2.7m大一样...........

    [0] 评论
  • 10楼
    2018-12-09 10:16 RazerKin
    引用@在雨夜 的话:为什么我总是觉得十二公里比一万两千米远呢?
    因为你少看一个"千"啊,是一万两千千米


    [0] 评论

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溯鹰
溯鹰 构造地质学博士、科学松鼠会成员

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