火星磁场
火星磁场主要来自于表面磁化的地壳,引起地壳磁化的发电机作用(暂译,dynamo)仅存在火星形成早期。根据火星磁化陨石的定年,发电机作用大约在39亿年前已经停止,而其动力来源、产生的磁场形态与消失原因,目前还没有定论。火星磁场是火星主要观测物理场之一,火星磁场研究对火星探索具有重要的科学意义。
火星的地壳磁场强度如同其地表形貌,具有南北半球的差异:相对于北半球,南半球拥有较强的磁场,因此一般相信,地壳磁场与造成南北半球地形不对称的成因有关。科学家认为产生南北不对称地貌有两种可能:一为陨石撞击北半球,二为早期火星内部的地幔对流。过去相信,在陨石撞击北半球时,同时将地壳消磁、造成磁场强度分布的不对称。加拿大科学家Sabine Stanley的研究小组认为,双面磁场也有可能产生于南北半球不对称的发电过程,并不需要额外的消磁事件。
NASA的新发现表明火星的绝大部分区域都存在条状的磁性部分。其中磁信号最强的是南部高地,其他区域也存在有磁效应。另外,北部低地和Tharsis火山区是两个最明显没有磁性的地方。
古代火星的磁性远比科学家们之前所认为的更强,而且可能更加活跃。这一发现还为地球最初5亿年期间的板块构造学说提供了有利的证据。
科学家们认为,火星在最初形成的5-10亿时间里会在其内核处产生强磁场,然后就像地球磁场一样重复交换磁北和磁南。但是一旦等到火星内核冷却下来之后,其"磁发电机"也就慢慢停止运作了。
火星"磁发电机"运作过程中喷射出来的被熔化岩石保持住了磁场的极性,但磁化的岩石也不可能永远保持相同的磁场模式。因为如果利用一个晚上把岩石加热到600摄氏度就能消除其磁记录,而火星在漫长的100万年间只需加热到300摄氏度就能做到这一点。
也许在火星Tharsis火山区和北部低地就发生了类似情况,因为Tharsis火山区的火山活动频繁,而北部低地则经常有大规模的熔岩泛滥。因此,这两个区域的磁性属于磁性空白点。
研究还另外发现有一种特有的磁模式从东到西贯穿于火星的子午线台地(Terra Meridiani),这种重复式的磁模式与地球中大洋脊(海底扩张处)的磁模式相互作用,在海底扩张中心的每侧都留下了一个镜像。
来自美国宇航局戈达德航天飞行中心的研究人员们根据5.5个地球年的资料数据,制成了一部关于古代火星磁性的新地图。研究结果显示,古代火星的磁性远比科学家们之前所认为的更强,而且可能更加活跃。这一发现还为地球最初5亿年期间的板块构造学说提供了有利的证据。
研究小组负责人、NASA戈达德航天飞行中心成员Jack Connerney指出,这是人类有史以来第一次发现这些有趣的地质作用,而且他们已经相信整个火星的表层都是有磁性的。研究人员利用1997年9月进入火星轨道的“火星环球测量者”宇宙飞船上的磁力计来测量相关数据。
研究小组早期的调查显示,火星南部高地具有的条状变极性磁性部分,就跟地球上临近海底扩张区域的情况十分相似。但是火星的其他区域还没有可靠证据证明存在磁性部分。
随着海底扩张的持续进行,在地壳压力的作用下出现了转换断层。而这种磁模式也在被转换断层错断了的大洋中脊处产生变化。在地球上,大型的转换断层可以跨越整个太平洋板块,约为1200-1300千米(750-800英里)。
科学家最新研究称,多次特大小行星碰撞火星事件最终导致火星的磁场彻底消失。最新研究显示,特大小行星碰撞导致火星磁场消失。如图是乌托邦陨坑,其直径为3.3公里,形成于41亿年前,科学家推测该陨坑是第五次小行星碰撞形成的,火星磁场也是从此消失。
基于当前火星表面较大陨坑的存在,科学家认为在火星早期几亿年的时间段中先后遭遇了至少15次特大小行星碰撞,每次这样的小行星碰撞杀伤性足以杀死地球表面上的恐龙。近期一项最新计算机模拟显示,火星磁场可能在遭受四次特大小行星碰撞之后就变得十分虚弱,最终在遭受第五次小行星碰撞后,火星磁场就彻底消失了。
美国马里兰市约翰-霍普金斯应用物理实验室研究小组成员詹姆士·罗伯茨(James Roberts)说:“第五次小行星碰撞形成了现今火星表面直径3.3公里的乌托邦陨坑(Utopia crater),其历史可追溯至41亿年前。很可能前四次小行星碰撞就已基本上摧毁火星磁场,第五次的小行星碰撞作用力就如同‘压断了骆驼后背的稻草’一样。”
地球上拥有磁场是由于热量在旋转熔化内核和冷却地幔层之间传输,其间的温差将有助于形成“发电机效应”,从而维持磁场的持久稳定。但是太阳系首次形成时经历了一段混乱时期,称之为“后重轰炸期”,期间一些较大的形成行星的残留物碰撞轰击在年轻的火星、地球、金星和水星表面。
罗伯茨称,正值“后重轰炸期”,火星表面上的乌托邦陨坑形成,大致在相同时间火星磁场完全消失。这项研究报告详细发表在近期出版的《地球物理学研究杂志》(JGR)上。依据这项最新计算机模型,乌托邦陨坑注入了大量的热量进入火星地幔层,彻底地减少了磁场形成的温差。他告诉美国国家地理杂志新闻频道记者说:“如果地幔过热,将无法直接有效地冷却火星内核,因此也会产生磁场。”
没有磁场保护,火星将暴露于太阳风的完全灼烧下,太阳风是太阳喷射的持续带电粒子流,它将缓慢地侵蚀火星大气层,直至将大气层削弱成仅包裹着气体残留物为止。随后恶劣的气候变化将很快到来,从而促进火星表面逐渐转变成现今的荒芜模样。
罗伯茨称,虽然类似的小行星碰撞产生的破坏力也足以摧毁地球磁场,但要摧毁地球磁场,还需要遭受比火星上更巨大的小行星碰撞。
地球地幔厚度是火星地幔的两倍,并且地球内核的搅动更加频繁,因此很难摧毁地球上的磁场。金星也缺少全球范围的磁场,但是科学家们认为这是由于金星地幔较干燥和僵硬,因此很难导致热量流通循环。
瑞士科学家们通过实验室模拟实验得出结论称,数亿年前就消失了的火星磁场不久后将再次恢复。据《新科学家》杂志报道称,科学家们研究发现,火星的部分内核被熔化是导致火星磁场消失的主要祸首。
以瑞士联邦工学院(位于苏黎世)的安德鲁-斯图阿尔特为首的瑞士科研小组通过模拟实验成功再现了火星内核部分地区的压力和温度。在此次模拟实验中,科学家们利用填充了铁、镍和硫混合物的金刚石密封舱,它的压力被调节到了40兆帕斯卡。通过实验,研究人员成功发现,在火星内核温度达到1500开氏度时,密封舱内的混合物应该处于液态状。不过内核外层会出现固化现象。当然,只有在火星内核中硫的含量不超过10.6%时才会出现上述现象。科学家们称,这可以解释火星的磁场为何消失了,同时也可以解释地球的磁场为何至今仍然存在。科学家们认为,地球磁场之所以至今依然存在,就是因为地核内部是固态的。固态地核内层与被熔化了含大量铁的外层相互摩擦便产生了地球磁场,其工作原理类似于直流发电机。
科学家们表示,如果火星内核被熔化了的部分能够重新结晶变成固态形式,那么消失已久的火星磁场还将再次出现。
[1] 知网空间 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DQWJ200603012.htm
[2] 新浪 http://tech.sina.com.cn/d/2007-06-06/08411547802.shtml
[3] 春秋中文社区 http://bbs.cqzg.cn/viewthread.php?tid=703469
[4] 中国法院网 http://www.chinacourt.org/html/article/200706/07/250558.shtml
[5] 中国航天 http://www.space.cetin.net.cn/index.asp?modelname=htkp_nr&recno=362
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