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沉寂已久的火星是否仍有火山活动?

2021-2月-05 周五 11:08 +0800

新浪科技讯 北京时间2月5日消息,火星是太阳系中仅次于水星的第二小的行星,长期以来一直被认为是一颗死寂的星球。但最近的一系列发现使科学家们开始重新思考火星的内部活动是否仍在继续。

很久以前,火星是一个充满灾难的世界:巨大的火山喷发出炽热的熔岩,摧毁了这颗红色行星的表面。如今,这些火山十分安静。由于缺乏任何熔岩存在的证据,科学家推测火星的火山活动在很久以前就停止了。火星的英文名“Mars”意思是罗马战神,但它似乎不太像战神,而更像是战神的手下败将,显得阴冷、平静且毫无生气。

然而,近期的研究表明,关于火星一片死寂的假设是完全错误的。科学家从轨道飞行器的一系列探测结果中发现,火星的古老熔岩流并没有原先想象的那么古老,其中一些似乎是在过去几百万年里,甚至可能是在最近几万年里从火山坑或裂缝中喷发出来的。

沉寂已久的火星是否仍有火山活动?

毫无疑问,火星曾经有过火山活动。火星勘测轨道飞行器在奥林匹斯山底部发现了熔岩流的记录(左),以及古代熔岩流留下的螺旋状图案(右)

美国国家航空航天局(NASA)的“洞察号”(InSight)着陆探测器已经对火星内部结构进行了两年的探测,并捕捉到了一些奇怪的地震信号,而这些信号来自一个年轻的火山活动地点。研究人员在2020年12月的一次会议上公布了这些结果,尽管尚无定论,但他们认为洞察号可能“听”到了岩浆震动的声音。根据此前的推测,火星的火山活动早在远古时代就已经沉寂。

美国亚利桑那大学的行星科学家克里斯托弗・汉密尔顿说:“这是一个非常令人兴奋的发现,如果得到证实,这将表明火星有机会跻身目前太阳系火山活动最为活跃的星球之列。”

如果未来的数据和分析证实火星确实存在岩浆,那将是一个革命性的发现。美国北卡罗莱纳州立大学的行星科学家保罗・伯恩表示,这将成为十分有力的证据,支持科学家一段时间以来所持的一种猜测:一些火山活动看似完全停止的岩石行星其实并没有“死”,它们还“活着”――或者换句话说,“这些世界的死亡非常缓慢”。

我们对行星内部几乎没有确切的认识,包括我们所生活的地球。这是一个不容忽视的问题。“行星的热演化支配着一切,几乎没有例外,”伯恩说。从生物赖以生存的地表状态,到行星大气的演化,“这是同一个故事――行星正在冷却。这是唯一重要的事情。”

火山活动是一颗行星内部热量的外在表现,也是它散热的主要方式。与此同时,火山喷发也给行星表面涂上了一层新的物质。如果能了解火星的火山如何形成,以及这些火山喷发岩浆的能力如何,我们就可以了解火星内部结构的演化,并将其与地球进行比较。因此,如果洞察号探测到的真的是岩浆,那我们就离真正了解火星和地球更近了一步。

沉寂已久的火星是否仍有火山活动?

1659年,荷兰天文学家克里斯蒂安・惠更斯用自己设计的望远镜观察了火星,并绘制了第一张火星表面的草图

新的裂痕

火星无疑是一个火山世界,它的表面覆盖着令人印象深刻的熔岩山和壮观的熔岩流。在45亿年历史的早期章节中,火星诞生了太阳系中最高的火――奥林帕斯山(Olympus Mons)。这座火山的规模大得离谱:高度几乎是珠穆朗玛峰的3倍;如果把它放在纽约之上,其边缘几乎可以从波士顿延伸到华盛顿特区。奥林帕斯山是盾状火山,由流动性高的玄武岩质长期喷发累积而成,其山顶的破火山口是地下岩浆库空了之后塌陷形成的。整个火山的坡度非常缓,巨大的宽度使得从火星表面无法见其全貌;也就是说,在山脚下,你是看不到山顶的,因为那远在地平线之外。

奥林帕斯山的喷发似乎在很久以前就停止了。在很长一段时间里,研究人员认为火星所有火山活动的迹象都在数亿年前结束了,甚至可能是数十亿年前。这个假设的基础是关于内太阳系演化的若干归纳。

以内太阳系的5个岩石星球为例。金星和地球差不多大;火星、水星和月球要小一些(火卫一和火卫二是火星的两个土豆形状的卫星,比地球的月球还小一个数量级)。

纽约州立大学布法罗分校的行星火山学家特蕾西・格雷格表示,当涉及如何为一个星球提供能源时,“最重要的是它的内部”。很久以前,这5个星球的内部都具有两个丰富的热量来源:一是在剧烈形成过程中遗留下来的原始热量;二是放射性衰变所产生的热量。这些热量最终通过辐射和火山爆发释放出来。

剧烈的火山爆发可以使行星降温。对于更大的行星,如地球和金星,需要更长的时间来释放内部热量,因此保持火山活动的时间也更长。平均而言,地球上已知的任何时刻都有40座火山在喷发。对于金星,目前我们还无法透过厚厚的云层看到其表面情况,但大量的间接证据表明,这颗行星几乎肯定还在喷发。

较小的星球似乎会更快地耗尽燃料。自从人类第一次将望远镜对准火星以来,在四个世纪的时间里,我们一直没有发现火星有火山爆发的迹象,研究者也因此假设火星的火山活动早已停止。

但近年来,科学家在估计火星陷入沉寂的确切时间时,发现了一些蹊跷。2017年的一项研究表明,火星上另一座巨大火山――阿尔西亚山(Arsia Mons)――的破火山口中的熔岩可能出现在5000万年前,那时候霸王龙已经在地球上灭绝了很久。

然后就是科珀洛斯槽沟(Cerberus Fossae)。

沉寂已久的火星是否仍有火山活动?

科珀洛斯槽沟是火星上具有数条狭长裂缝的区域,也是火星上最年轻的部分之一。最近的发现提出了一种可能性,即该地区至今仍有活跃的地质活动

2019年,研究人员对几次“火星震”事件进行了分析,发现这些事件都可以追溯至科珀洛斯槽沟。该地区具有数条狭长的裂缝,宽数百米,总长超过一千公里,是火星上发现的第一个活跃的断层带。这是这个行星上非常奇怪的一个地方。

估计一颗行星表面年龄的最好方法是分析岩石,利用其元素的放射性衰变作为地质时钟。但目前为止,我们在地球上所见的火星岩石都是以陨石的形式出现的,而这些陨石可能来自火星表面的任何地方。因此,研究人员不得不依赖撞击坑计数来进行估算。简单地说,如果像火星这样的行星上没有显著的侵蚀过程,那么更古老的表面应该有更多的撞击坑。很显然,撞击坑计数无法给出绝对的年龄,只能给出相对的年龄。

科珀洛斯槽沟明显缺乏撞击坑,“它绝对是火星上最年轻的表面之一,”格雷格说。早期对科珀洛斯槽沟的轨道勘测表明,就地质特征而言,某种流体曾在不久之前冲刷过该地区。在一段时间内,研究人员无法确定这种流体是水还是熔岩。但在分析了过去20年来由高分辨率摄像机拍摄的图像后,“我们能够确定这两种东西来自不同的时期,”格雷格说。

汉密尔顿指出,阿萨巴斯卡谷(Athabasca Valles)熔岩流是其中一次明显的喷发,时间就在不到2000万年前。在几个星期的时间里,一股熔岩急流喷薄而出,覆盖的面积超过了英国的面积。

汉密尔顿在不久前与人合著了一篇论文,目前正在进行修改,准备发表在《伊卡洛斯》(Icarus)期刊上。他们研究了科珀洛斯槽沟的一个较小的火山沉积区域。这些沉积物可能来源于一次剧烈的喷发,当时火山灰覆盖了这一地区。细致的撞击坑计数表明,该区域的年龄可能只有100万年,甚至是更加年轻的53000年――从行星历史的角度,这简直就像是昨天。

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这张地图显示了火星的火山区域,包括科珀洛斯槽沟(2)和奥林帕斯山(4)

这篇论文的第一作者、亚利桑那州图森市行星科学研究所的研究者大卫・霍瓦特表示,学术界长期以来一直怀疑科珀洛斯槽沟是一个非常年轻的火山活动场所,“我们只是在堆砌证据来支持这一观点”。

不过,随着对火星火山活动的年龄估计越来越年轻,又有了一个令人好奇的问题:火星现在是否仍有火山活动?

监听火星地震

2018年11月26日,美国国家航空航天局的洞察号火星探测器在距离科珀洛斯槽沟约1600公里的火星埃律西昂平原(Elysium Planitia,又称极乐平原)着陆。探测器的有效载荷包括一个热流仪、一个磁力计和一个地震仪,这使它成为第一个装备齐全的“星际地球物理学家”。它将人类对地球内部的理解汇总起来,并将其完全应用到另一个星球上。

从地震的角度来说,火星比地球安静得多。但洞察号的地震仪仍然捕捉到了一连串强度不一的火星地震信号。有些信号是断层滑动,但更多信号并没有明确的来源。在2020年12月美国地球物理联盟的年会上,NASA喷气推进实验室的行星科学家沙仑・凯达尔及其同事提出了一种引人关注的可能性:一些低频率的火星地震信号可能是地下深处岩浆流动的声音。

他们的报告只展示了尚未经过同行评议的初步结果,因此不能作为明确的断言。该论文最近已被《地球物理研究杂志》(Journal of Geophysical Research)接收,但在发表之前,相关研究人员拒绝接受媒体的采访。其他研究者表达了对这一发现的兴趣,尽管他们还在等待更多的数据。格雷格说:“认为这可能源于岩浆其实并不离谱。”

在地球上,地震学家可以通过使用多个地震仪来确定地下的震动声。只要测量地震波在三个或更多地点的准确到达时间,我们就可以对震源进行三角定位。尽管在火星上只有一个地震仪,但这无疑是一个非常强大的地震仪。日本东京工业大学地球-生命科学研究所的全球地震学家克里斯汀・豪泽说:“他们并没有随便发射一台地震仪,而是派出了有史以来最灵敏的地震仪之一。”

“我更愿意称之为纳米地震学,因为我们真的是在观察原子尺度上的运动,”美国马里兰大学的地球科学家尼古拉斯・施默尔说道。他参与了洞察号的探测工作。在火星上,洞察号的地震仪甚至能捕捉到沙尘暴在寒冷沙漠上盘旋时发出的微弱轰隆声。

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洞察号探测器的有效载荷包括一个热流仪、一个磁力计和一个地震仪,这使它成为第一个装备齐全的“星际地球物理学家”

洞察号的地震仪通过两种方法来估计火星地震波的来源。第一种方法就像通过测量雷声的延迟时间来估计雷击的距离。地震波的两个分量――纵波(P波)和横波(S波)――以不同的速度传播,它们之间的时间差可以使科学家计算出到震源的距离。

此外,地震波具有极化的特性:其一个分量为东西方向振动,另一个分量为南北方向振动,第三个分量则是垂直运动的。洞察号测量了每个分量的相对强度,从而揭示了地震波的方向。沙仑・凯达尔的团队分析了5个神秘的火星地震事件。其中两个事件具有强烈的极化信号,使得它们可以比较明确地追溯至科珀洛斯槽沟。这两次地震似乎是常规的普通构造地震。

其他三个地震事件的信号很弱,因此研究人员只能测量P波和S波到达时间的差异。研究团队也因此得出了一个距离。参与洞察号工作的英国布里斯托大学地震学家安娜・霍勒斯顿表示,在这一半径范围内,科珀洛斯槽沟是最有可能产生地震信号的地方,但这些信号仍可能有其他来源。

这三个信号类似于地球上与流动的流体有关的信号。研究人员尝试模拟产生这些信号的现象,发现不能排除一种特殊的流体――岩浆。他们模拟了岩浆在60公里深处的狭窄通道中流动时产生的信号。

格雷格描述了这些岩浆运动时产生噪音的一种方式:“当岩浆通过一个管道流动时,管道就会震动,就像你将空气推入声带一样。你的声带会振动,然后发出声音。无论是水还是岩浆,发出的声音都应该是不同的,就像你吸过氦气时声音也会改变一样。”

汉密尔顿表示,在地下60公里处,任何流体都必须是岩浆,而不是水。但加州大学圣克鲁斯分校的行星科学家米沙・克雷斯拉夫斯基指出,这些微弱的信号并不包含足以提供精确震源深度的详细信息。

地震信号也可能不是表面上看起来的那样。美国西华盛顿大学的地震和火山学家杰姬・卡普兰-奥尔巴赫指出,当地震波通过地面振荡时,其高频分量会比低能量分量更快地损失能量。也许在从科珀洛斯槽沟到洞察号旅程中,这些信号的高频部分变弱了,使其看起来就像低频事件,而这通常与移动的岩浆有关。

不过,即使考虑到这些因素,科学家们依然对不能排除岩浆的存在感到兴奋。克雷斯拉夫斯基称,到目前为止所得出的一切推测都是完全合理的。霍勒斯顿则持保留意见,但她补充道,这并不是说火星地下没有岩浆。所有人都注意到,这些隆隆声很可能来自火星上最年轻的火山部分,这不太可能是巧合。“这太棒了,”格雷格说,“我是说,这很有道理,对吧?”

当然,科学家们还有很多工作要做,也需要更多的地震数据来完善这一假设。但不可否认的似乎,洞察号获得的数据正在改变我们对火星内部的了解。

重新思考地球

近期有关火星的研究向我们强调了一个事实:我们对各个星球内部的情况了解甚少。“我们不知道内太阳系放射性元素的分布情况,”格雷格说,“我们什么都不知道。”如果假设火星具有与地球诞生时相同数量的放射性元素,那么一个寒冷的火星就是不合理的。但对于这种假设,“谁又能说它是真的呢?”

火星也不像地球那样具有分裂的地壳:它缺乏可移动的构造板块,而这些板块会让热量通过裂缝逸入太空。也许这有助于保持火星内部的余温。

如果能测量火星的内部温度,我们或许就能更容易地计算出火星的火山活动能力。但洞察号的热传感物理特性箱――被亲切地称为“鼹鼠”(mole)――未能挖得足够深,无法得到准确的读数。然而,洞察号的地震数据表明,火星内部的温度可能足以让火山保持活跃,但方式与地球不同。

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在科珀洛斯槽沟发现的火星表面裂缝穿过山丘和火山口,这意味着它们肯定比其他表面特征更加年轻

即使存在火山活动,科珀洛斯槽沟下的岩浆也可能永远不会再喷发到火星表面。尽管火星的巨型火山令人印象深刻,但许多岩浆似乎都注入了火星的上地壳,并停留在那里,有时会产生巨大的火山突起。

不过,火星表面的喷发是可能的。可能不像地球表面那样每天都喷发,但与地球一样,火星也会时不时地发生史诗般的熔岩流――每次爆发之间相隔数百万年。汉密尔顿说:“如果在500万到1000万年内火星上没有另一次大规模的地表喷发,我会感到不可思议。”

如果火星现在仍然有火山活动,那么另一颗较小的星球也可能如此。月球上有一块区域看起来像一个由水银液滴组成的大碗,而这些火山泡沫可能只有1亿年的历史。“火星的直径只有地球的一半,”格雷格说,“我们甚至不能肯定地说,只有地球四分之一大小的月球已经完全死寂。”

“我认为月球在未来的某个时候还会再次喷发。”伯恩说,“我想水星也会,为什么不会呢?”这些星球可能并不像我们习惯认为的那样安静。也许它们的火山在爆发之间停顿了太长时间,以至于人类没有注意到――火山爆发不断的地球反而像是一个异类。“从各个方面来看,地球都是很奇怪的一颗星球,”格雷格说。(任天)

(责任编辑:张洋 HN080)
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