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火星算不算是死亡了的地球?

2020-08-17知識

從行星演化的角度來看, 火星實際上是早夭的地球。

一、形成

無論是火星還是地球,它們形成的原因和過程都是很相似的:大約50億年前左右,太陽系中只有一團熾熱的星雲物質(也有理論說是冷的星雲物質,我們不考慮這些爭議,只討論大致的行星演化過程),這團物質中的絕大部份物質(比如氫元素)都來自一團星際雲,另外一些重元素則來自於上一代恒星爆炸後拋飛出來,它們構成了原始的太陽星雲。在星雲形成之後,它開始繞著中心旋轉,其中99%的物質都匯聚在中央並點燃核融合(因為中央處溫度和壓力極大)形成了太陽,剩下的1%的物質圍繞著太陽運動,這些物質就是 整個太陽系內所有大小行星的起源

太陽系形成過程示意圖,有修改,版權屬於原作者,侵刪 圖/lifeng.lamost.org

在這些物質圍繞太陽運動的過程中,會冷卻凝聚行星小的固體物質,一般被稱為星子。太陽釋放的光和熱對星子造成了分選:離太陽近,溫度高,離太陽遠溫度低,所以在離太陽近的地方保存的都是耐高溫的含鐵量高的星子,遠一點的地方則是不那麽耐高溫的石質星子,再遠一點就是那些完全不耐熱的水、冰、氣態星子。

太陽系形成時,由於太陽熱量對星子造成的分選[1]

隨後,星雲物質們開始冷卻形成液態小顆粒,液態小顆粒又繼續冷卻形成固態小顆粒,固態小顆粒繼續碰撞,就好像貪食蛇那樣,大的吃小的,越長越大,變成無數顆小行星。小行星們繼續碰撞,於是就變成了八大行星。也正是這樣,我們的太陽系的八大行星基本上都是沿著相同的軌域面圍繞太陽運動,而且離太陽近的地方是水、金、地、火四顆巖石行星,離太陽遠的地方是木、土、天、海四顆氣態行星,而且它們的密度大體上是逐漸降低的(並不是嚴格降低,原因請見 @曇花再現 的回答為什麽土星的密度那麽小,只有其他巨行星的一半?)。

太陽系內八大行星分布圖 圖/NASA,有修改

所以,實際上從這個角度來看,火星和地球的形成過程是沒有什麽差別的。但是它們的命運實際上是由 出生地決定 的:地球靠太陽更近,因而含鐵物質更多,巖質物質也更多,火星因為遠離太陽,鐵質物質少,巖質物質也少,同時又因為鄰近木星,木星的大重力可能阻擋了火星吸收更多巖質物質,因而火星要比地球小很多。

二、演變

巖質行星在形成最初,如果體積大到一定程度以後,最開始基本上都是巖漿球的狀態。這有多個方面的原因:

一方面是因為巖質行星形成於無數小行星的撞擊,撞擊的動能轉化為熱能,讓巖質行星表面熔融,變成巖漿;

一方面是因為在巖質行星表面熔融後,液態巖漿因為受到重力的作用,重的元素下沈,輕的元素上升,重元素下沈時候重力勢能也會轉化為熱能;

另一方面是小行星都含有微量放射性元素,放射性元素的衰變會釋放熱量,這些熱量無法讓單個的小行星熔融,但是當它們都匯聚在一顆較大的行星上之後,會在這顆行星內部源源不斷地釋放熱量,維持行星的內部的高溫;

所以,在形成之初,地球、火星(甚至金星和水星也一樣),都是一個巖漿球(或者至少半熔融狀態)。

太陽系誕生之初,四顆巖石行星可能都是這種巖漿球狀態 圖/cgtrader.com,侵刪

但是由於宇宙背景溫度是-270℃左右,所以按照我們的常識(其實是熱力學第二定律),熾熱的巖漿球馬上就會降溫。而又按照常識,這個巖漿球的表面就會首先降溫,越往深處降溫越慢。隨著這種降溫,於是巖漿球就自然形成了圈層結構:地殼、地幔、地核(火殼、火幔、火核?)

(0610補充:地球上的降溫,是熱傳遞和熱對流,比如一杯熱水透過空氣傳遞熱量,但是宇宙空間內的降溫主要是熱放射線式的降溫,因為宇宙空間內是真空狀態,瓦斯極為稀少,因此主要以放射線電磁波的形式向外傳遞熱量,但是這種降溫方式效率比較低,所以地球才能在數十億年後地核內依然保持火熱,感謝知友 @蔚藍海濤 提醒)

巖石行星的圈層結構 圖/pixabay

當形成圈層結構之後,由於星球自轉速率與內核自轉速率的不一致,這種自轉速率之差就導致內核就像是一個發電機的轉子一樣,而地幔(火幔)則就類似於轉子外層的線圈一樣,這就形成了一個巨大的行星發電機。電生磁,這個我們在初高中物理就學得到,我們甚至能利用右手螺旋定則來大致判定磁場方向——就這樣,在地球和火星外部就形成了一個巨大的行星磁場,這個磁場能夠起到偏轉太陽帶游離子的作用,就好像是一個大大的護盾,護住了初生的地球和火星。

行星磁場能保護行星表面生物不被太陽風破壞 圖/epl.carnegiescience.edu,侵刪

讓我們的視線回到星球表面。在形成了圈層結構之後,行星表層的溫度已經降到足夠低,這時候大規模的降雨將雨水匯聚在地表,形成了最早的海洋——橋豆麻袋!雨水怎麽就突然出現了????

這些雨水的來源很簡單:巖漿!

在現在的火星和木星之間,有一個小行星帶,這裏的小行星都是從太陽系形成開始就一直存在的老物件了,它們的年齡可能跟地球、火星的年齡一般大,但可能由於木星重力的幹擾,導致這些小行星一直沒能形成一個大的行星,於是它們留到了現在,地球上絕大部份掉落的隕石就來自於小行星帶,它們是我們研究太陽系往事的視窗。早就有地質學家們對掉落的隕石的化學成分進行了分析,在分析後發現,這些隕石中或多或少都含有一些水分,少的1%,多的10%以上,這些說明水在整個太陽系是廣泛存在的,它們以化合物、結晶水等形式存在於小行星中。

[2]

那麽問題來了,當這些小行星碰撞到一起形成了大的行星後,水去了哪裏呢?它們都去了巖漿裏。一旦巖漿球開始冷卻,巖漿中的水分將會以水蒸氣的形式存在於空氣中,等到行星表面降溫後,水蒸氣凝結,水分下降,於是就形成了原始的海洋。此外,在行星的巖石外殼形成之後,也會有大規模的火山噴發,這些火山噴發也會源源不斷將巖漿中的水分帶到地表。

另外,隨著巖漿噴發,一起被噴出來的還有諸如二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、一氧化碳等多種瓦斯,這些瓦斯與水蒸氣一起構成了原始行星的大氣。所以在這一階段,地球和火星其實也都沒什麽差別。

火山噴發出來的瓦斯就是早期大氣的來源 圖/lpi.usra.edu

隨後,到了大約42~37億年前,整個太陽系中發生了一次大規模的小行星碰撞事件,幾乎所有的巖質行星都被許多小行星撞擊,在行星表面撞出了許多隕石坑,這就是我們現在在月球、火星、金星、水星等星球上都能看到密密麻麻的隕石坑的原因。在地球上其實也有,只不過 地球還是「活」著的 ,數十億年來的風雨的沖刷,讓這些隕石坑已經不見蹤跡了。

在水星、金星和月球上都還能看到來自數十億年前小行星撞擊的痕跡 圖/wikicommons

在這一期間火星與地球的發展其實是很類似的,在地表形成了大量的河谷、河網、峽谷、湖泊,這些流水地貌與地球上的水流地貌非常相似,有科學家就曾經專門透過對比火星和地球流水地貌的規模和特征,從而推斷火星上這些河流中的水源、水流量等等資訊,有人甚至推測,曾經火星上某些河流的水流量可能是地球上亞馬遜河水流量的10倍。在這些水流的作用下,火星表面不少地方還發育了非常多的沈積巖,這一點也與地表類似。我們近年來發射到火星上的探測器也都觀察到了這些特征。

有水的火星可能長這個樣子 圖/NASA
火星上的河口三角洲 圖/NASA

此外,如果考慮到地球上38~35億年前左右就已經演化出現了原始的生命,因此我們甚至可以推測, 很可能在火星上也有可能已經有原始的藻類生命演化了出來

但是好景不長,火星很快就夭折了。

三、早夭的火星

正如前文所說,地球和火星的命運, 其實是由它們出生位置決定的 (真·投胎決定論!)。

由於出生位置的不利,導致了 火星個頭小,因而其重力也比較小 無法保持住其本身的大氣 ,所以火星表面的瓦斯實際上是持續不斷地向外逸散到宇宙中。就好像是一個漏氣的氣球,要是火星內部巖漿還能持續向外排水排氣,那麽還能維持下去,但是可惜的是火星的內核也很快就涼涼了。

這也可能是由於火星個頭小的原因,導致 火星熱量散失比地球快很多 ,也可能是由於火星形成時候構成火星的金屬物質比較少,這導致了放射性元素比地球少,因此內部產熱量也比地球少很多,所以火星快速冷卻了下來。可能從37億年前開始,火星內核就已經開始降溫,到了35億年左右,火星內核的大部份已經凝固,到了30億年前左右,火星內核絕大部份都涼透,只剩下局部巖漿還處於冷卻中了。(這一時間段為個人從下圖中推測,並未查證文獻)

火星上火山活動和地表水的分布時限一一對應 [3]

涼下來的內核再也無法透過旋轉產生星球級別的磁場,也無法透過火山噴發為火星地表帶來水蒸氣,於是火星上的水分和瓦斯持續性減少,缺乏了磁場保護的火星也變得環境惡劣起來,處於演化早期的生命們要麽尋找地下深處有水的地方潛伏,要麽幹脆就滅絕了。

到了這時候,火星上的所有演化歷程就一下子停滯了下來

沒有了水,意味著改造火星表面最大的動力已經消失了,火星的地貌也就停留在了被小行星轟炸的樣子。

稀疏而幹燥的大氣,讓火星表面的風都吹的有氣無力,即使是經過30多億年的改造,也只是在局部地區改造出了少量風蝕地貌,這與中國新疆的雅丹地貌成因一模一樣,都是由風吹沙粒,不斷刮削巖層所形成。

火星地表的雅丹地貌 圖/NASA

沒有水、大氣和磁場的保護,火星上的生命也沒有機會演化成多樣化的動植物來,而地球上的動植物也是改造地表地貌的一大動力。

早夭的火星上,因為演化的停滯,幾乎保留了它35億年前的樣貌,成為一個我們研究太陽系早期行星演化的良好樣本。

而也正是因為火星上有過水和大氣,也讓火星變成了我們尋找外星生命的一個良好場所——我對於尋找到火星生命或者是生命證據非常看好。這實際上對於研究生命起源和演化也非常有意義,一方面能夠證明我們如今的生命從無機物透過化學方式演化出來的理論,一方面也能證明在宇宙中可能生命是非常普遍的。

另外,正如我前文所說,水都來自於巖漿,所以我對於火星上存在水這件事情毫無質疑,火星南極的水和NASA鳳凰號探測器在土壤中發現的水冰都說明了這一點。

鳳凰號在挖開火星土層之後出現的水冰 圖/NASA

各位讀者以後看到行銷號說「驚訝!天問一號在火星發現水」這種標題,還是要保持冷靜的,這很正常,沒發現才不正常。

四、「活「地球

相比於火星,地球真的運氣很好,合適的離太陽距離,合適的大小,使得地球降溫慢,瓦斯也不容易逸散。

降溫慢的結果就是讓地球處於不斷的活動中。地核處不斷加熱地幔,讓地幔因為受熱不均勻而產生熱對流,就很像我們吃火鍋的時候,直接被火焰加熱的火鍋湯不斷翻滾的場面,地表的板塊就好像火鍋上面的白菜幫子,被翻湧的火鍋湯帶動著不斷移動,也因此而碰撞,這就是地表板塊運動的原理。地球上的板塊運動,塑造了地表高聳的山脈與高原——這種在巖漿推動下的運動,地質學上將其稱為內動力地質作用。

內動力地質作用的動力來自於內部巖漿的熱對流

而在地表,由於太陽的加熱,地表受熱不均,於是形成了風霜雨雪,尤其是其中的風和雨水,不斷沖刷著地表,將那些高聳的山脈不斷風化剝蝕,並帶走碎裂的巖石碎屑,將這些巖石碎屑帶到海洋、平原、盆地這些低窪的地方——這種來自於太陽動力的地質作用,我們稱之為外動力地質作用。

外動力地質作用的能量來自於陽光

另外,在地球磁場、濃密的大氣保護下,地球上演化出來的生命得以有一段長達38億年的演化歷程,演化出如今地球上各種各樣的生命型別來。這些生命在地表紮根、鉆洞,或者是建造各式建築,將地表改造的生機勃勃。

來自內、外動力地質作用和生物的改造,讓整個地球的地表地貌不斷變化,幾乎每一百萬年都會更新一個新的面貌,讓地球看起來如同活著的一般。

以上,就是火星和地球這兩兄弟的故事了。

這個回答剛剛火的時候就有人讓我放個購買連結,好歹恰個飯,一個多月後我終於找到了適合本回答的小物件:

參考文獻:

[1]侯渭, 歐陽自遠, 謝鴻森,等. 太陽星雲凝聚過程的巖石學模型:(Ⅲ)類地行星區星雲凝聚作用和地球原始成分的估算[J]. 巖石學報, 12(3).

[2]侯渭, 歐陽自遠, 謝鴻森,等. 太陽星雲凝聚過程的巖石學模型:(Ⅱ)非球隕石,C1隕石及類C1隕石的凝聚成因和小行星區星雲凝聚作用[J]. 巖石學報, 12(3).

[3]趙健楠. 火星南部古湖泊的地質特征及其對古氣候環境的指示意義[D]. 中國地質大學.