从行星演化到火星上找水

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  目前有一种理论认为,我们所处的太阳系起初来源于超新星的爆炸,超新星由于质量过于巨大,内部压力大,核反应激烈,放出的能量过多而发生爆炸,从而使大量的物质被抛向太空,形成星云。由于超新星本身的物质间引力,使星云内部发生塌陷,形成圆盘状。在圆盘的中心,由于收缩的物质多,压力较大,温度极高,引起了核反应,形成恒星,而在圆盘周围的物质相互聚合,形成了行星,太阳系就是这样诞生的。行星绕太阳旋转,有的行星质量大,有的行星质量小;有的行星在离太阳近的轨道上运动,有的行星在离太阳远的轨道上运动;有的自转快,有的自转慢。行星上密度大的物质向中心收缩,密度小的物质上升到表面,于是水上升到了行星的表面,加上彗星为行星带来的水分,这样在行星的表面出现了大量的水。由于行星质量差异和离太阳的远近不同,使行星有着不同的表面环境。靠近太阳运动的行星接受太阳能量多,温度高:在离太阳远的轨道上运动的行星接受太阳能量少,温度低;而地球到太阳的距离恰到好处,从太阳上获得的能量也较适量,使地球上的温度比较适宜,能使水同时以固相、液相和气相共存。加上地球的质量和引力较大,能吸引住大气,使地球水分散失得很少,才使地球上有了今天的生机。
  随着人类科学技术的发展,人类对生命的起源越来越关注,首先想到的是和我们最近的行星之一——火星。火星上到底有没有生命?众所周知,生命能生存的最基本条件是水的存在。火星上到底有没有水是人类最关心的问题。随着对火星的探测,人们逐步加深了认识。把目前认识到的火星与地球相比较,我们会发现火星的体积只有地球的15%,质量只略大于地球的十分之一,这样的物理环境必然导致它表面的重力加速度小,吸不住气体。火星大气较稀薄,表面气压仅7.5 mPa,相当于地球30~40 km高空处的气压。大气的主要成分是二氧化碳(95%以上)、氮(3%),还有少量一氧化碳、氧、氢等,唯水汽极少。赤道的温度变化为-80~20C,但其两极只有-70~-140℃。火星上还有若干比地球上更大的死火山.著名的奥林匹斯山高达2.6万米,火山口直径达600km。还有许多盆地和峡谷,赤道附近的水手谷绵延5000km,最宽处宽200km,最深处约6km。最奇特的是火星上有众多干涸了的河床,它们纵横交叉,最大的有1500km长、几十千米宽。关于河床的成因仍有两种观点:早期火山熔岩的遗迹和史前大江巨川的冲刷。
  物质的本身是没有意识的,但它的性质是一定的,物质的运动演化也是有规律性的。大家知道,水在一个大气压下,0~100℃时呈现液相,100cC开始沸腾,气压越低,沸点越低。在地球表面的高山上由于气压低,水甚至在40~50℃就能沸腾。水的这种特性在其他星球上也是这样。在只有几个毫帕的火星表面,水的沸点更低,水更容易汽化。一般的物质从液体变成气体体积要膨胀千倍,因而水汽化后体积在一个大气压下也要膨胀近千倍。气体的体积和压强有关,压强越小体积越大,因而在气压只有几毫帕的火星表面,水汽化后体积要膨胀几万倍。而水的分子量比二氧化碳小,它汽化后容易达到气体的上层,在太阳风的作用下,水分子更容易被吹到外太空中去。这些被吹走的水分子可能被外层质量大的行星如木星吸附,成为它的组成部分。经过数十亿年的演变,火星上的水怎会不干?
  火星和地球的起源是相同的,因此,在形成初期它的成分和地球大致差不多,火星上也应有许多水,其赤道部分温度高,水呈现液相,两极温度低,水呈现固相。造成火星上水汽化的原因主要有三个:首先,在火星形成的早期,火星上有火山地热,它使火星表面的水沸腾起来,能使某些矿物质溶解和结晶。“机遇”号火星车已经在火星上找到许多只有在有水环境下才能形成的矿物质的第一手资料,而且它还在火星表面拍摄到了大量被水冲刷过的地貌特征和火山口的存在,这些都足以证明当初火星上有水,和水受到火山热量的蒸煮。当时的火星大气比现在的大气稠密,温度比现在高,水蒸发速度也比现在快。大量的水被蒸发到空中,在一定高度还能有一部分水蒸气凝结成水落回火星表面,还有些水渗入地下,就像现在的地球一样。由于火星质量小,它表面的气体更容易被太阳风吹离,导致气体减少,气体的压强变小,温度也降低了许多。随着压强的减小,蒸发到空中的水分不再凝结成水,这时火星上停止了下雨。随着火山活动停止,火星上剩余的水也就不多了。其次,太阳的加热作用是不容忽视的。可以预测,开始时火星离太阳的距离比现在可能要近些,火星上阳光照射少的地方水就冻结成冰,但在太阳光长时间直射的地方,水的蒸发就很快。打个比方说,就像在太空中晒一件衣服,朝向太阳的一面温度很高,水蒸发很快,只要水分子离开了衣服的表面,它再回到衣服上的可能性就很小。虽说火星不是衣服,它对水分子有一定的引力,但其道理是一样的。这样,小星球经几十亿年的暴晒,液态的水还能不被晒干吗?还有一点值得注意,火星经历数十亿年,在此期间火星遭遇过大大小小数以万计的流星和小行星的碰撞。看看月球表面的陨石坑,就不难想象火星遭受到的撞击,撞击的能量将使那些冻结的水,熔解变成液体,这也加速了水分的蒸发。只有那些渗入地下,或者处于冻结状态的水才有可能被保存到今天。欧洲科学家前不久宣布,欧洲“火星快车”探测器利用红外线技术第一次拍摄到火星南极白冠的照片,表明那里存在水分子,从而首次直接确认了火星上的确存在水。不过,这些水处于冰冻状态,至于液态水的存在还有待证实。科学家预测如果火星上两极的冰全部熔解,可使火星表面有大约十厘米深的水。不过还是不要熔解的好,如果熔解了,就更容易汽化,到时候人类登上火星时,找水就更困难了。
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