主题：【原创翻译】火星——另一个世界的故事（介绍） -- starwolf

6、大气和水的起源

——复杂而又难以捉摸的起源

火星、地球和金星都具有基本上是由氮、氧、碳的化合物、水蒸气和稀有气体（如：氦、氩、氖、氪、氙）组成的大气层。这些大气因组成气体的比例和全球气压各不相同而有所区别。如：火星的表面气压低于地球气压的100倍到150倍，而地球又比金星的气压低90倍。

【图】从航天飞机“发现”号上透过地球大气层所见的火星（左）和金星（右）。（Courtesy NASA）

【图】火星水和大气的起源。大多数火星上的水和碳的氧化物原本积存于球粒状陨石内，在吸积时释放到大气层中。不久后的火山爆发也释放出一部分。根据华盛顿大学的Roger Phillips的观点，塔尔西斯突出部和它的火山群的诞生需要大约3亿立方千米的火山熔岩，释放出的水足以形成120米深的全球海洋和比地球大气致密50%的大气层。在吸积阶段之后，含水的彗星和陨石的撞击也有助于原始海洋和大气的形成。（Courtesy NASA，JSC，JPL和Calvin J.Hamilton）

为认识行星大气的原始构成，行星学家需要进行很多调查工作：因为大气成分已经由于挥发性元素、固态地壳、液态海洋和火山活动的化学、物理作用而极大地改变了，所以要在现在的大气中寻找持续40亿年未经改变的成分。多少有些矛盾的是，这些元素又必须被排除在形成现在大气层的反应之外。如：氧、氮和碳形成碳酸盐和硝酸盐成为了地壳的一部分；氘和氢可能是海洋和冰层中水分解的产物。剩下的只有稀有气体了。它们的化学性质不活跃（所以又名惰性气体）且具有同位素。

在1976年，维京探测器的测量表明，稀有气体仅占火星大气组成的1.6%多。其中最多的是氩-40，它们是岩石中钾-40放射性衰变的产物。还有一些是痕量元素（小于百万分之5）氖、氪和氙。

描述火星大气的起源和历史由于火星的低重力、缺乏磁场和未知的火山活动而变得更加困难。前两个因素是原始大气因陨石撞击和太阳风活动而损失的主要原因。

至于火星上水的初始数量很可能大于现今地球上海洋中的总量。我们现在知道，在早期的吸积阶段后，部分的（火星）核心和地幔已经形成，吸积过程随富含挥发性元素和（多达10%的质量的）水的星子的到来而持续着。起源于火星的陨石分析似乎预示着一半的行星是由这种材料（——指陨石）组成的。绝大多数的水现在确定已经消失了，但一些仍以冰的形式残留在地壳中，而且在地幔中也存在，虽然存量仍具有争议。

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5、火星陨石能告诉我们什么

--石块揭示行星的秘密和它的历史

1815年10月3日的早晨，法国南部夏夕尼（Chassigny）村的居民们被一些不寻常的爆炸声吓坏了：从附近的天空落下了一块石头。而后，这块4公斤，似乎是直接来自火山口的陨石，引起了一代代研究者的兴趣。

在地球上找到的数以万计的陨石中，只有大约三十块是“Chassigny”型的。它们被称谓SNC陨石，名称衍生自第一颗该种陨石被发现的地点。印度的赦咯荑（Shergotty）、埃及的那喀拉（Nakhla）及法国夏夕尼（Chassigny）。直到1980年代，人们才发现它们来自火星。这些陨石以同位素氧的含量为特征。氧具有不同的同位素：原子核具有8个质子，但中子数是不同的。同位素的组成和相对丰度在所有SNC陨石中是相同的，这是个独特的特征。另一个SNC陨石得识别特征是他们都相对年轻，主要是岩浆岩或火山岩。同位素年龄测定显示最年轻的SNC陨石成型于不到2亿年前。

人们是如何发现SNC陨石是来自火星的？

鉴定年代和分析只是揭示了事情的一部分：事实是它们曾经属于一个单一、久远的足够大到能够产生岩浆和火山活动的母体。它是火星、金星或是在太阳系形成过程中被摧毁的古老行星吗？SNC陨石被抛入太空可能是一场猛烈的陨石撞击的结果，但是年代相当新近，所以只能考虑现存的行星。最终，源自火星的最具有说服力的证据来自陨石中的一块：EETA 79001。这个物体于1980年在南极洲被收集到。在它的内部具有很多气泡存积于玄武玻璃的深色斑点中。玻璃形成于一场巨大的撞击，使得岩石脱离了它的行星。通过1976年“海盗”号火星探测器现场的分析，得到了气泡中的成分与火星大气中的成分几乎相同的结论。基于此，很多研究者认为SNC陨石是火星的碎片，并提示了它（火星）的构造。

【图】在南极洲被发现，在实验室中标记年龄。

许多火星陨石是在南极洲的冰中找到的，在那里它们更容易被看见。质谱分析的方法能容易地发现它们的成分。（右侧照片为巴黎的Physique du Globe学院中的设备）。

为了弄清它们的来源及更具体地确定它们由岩浆凝固的时间。地球化学家们依靠钾-40衰变成为氩-40这一放射性现象。当岩石熔融状态时，当时已存在的（由钾-40衰变成的）氩能够逸出，而当岩石凝固后，氩便在其内部聚积。通过对比钾和氩同位素的含量和火星大气中它们的浓度，可以推断其结晶的时间。对应于EETA79001，这个值是1亿8千万年。考虑到火星的年龄，它是一块相当新近的岩石。

【图】行星分异和固化的线索：利用石块中化学元素的性质，同位素地球学家通过几克岩石就能给出关于行星的全局数据。这种分析的原理基于两种物理现象：1.化学元素通常拥有几种同位素，原子核有相同数量的质量但不同数量的中子，某些同位素由于其内部的中子数量而具有不稳定性，它们迟早会衰变为更为稳定的元素。2：某些化学元素自它们形成起就被固定在岩石中，另一些则在岩石内部产生。这是自岩石形成时已存在的元素衰变的产物。

例子：火星地壳的年代测定。我们发现来自火星地壳的一颗陨石中有两种钕的同位素Nd-142和Nd-144。陨石中的Nd-142是Sm-146的衰变产物，自火星地壳形成时被固定其中。它的半衰期（一半的Sm-146原子帅变为Nd-142所需的时间）仅为1亿年。Nd-144不是任何衰变的产物，而且我们知道在超星新爆发时Nd-144和Sm-146的比例。

同样，比较Nd-142和现在Nd-144的比例使我们能推断出火星地壳形成时Sm-146相对于Nd-144的比例。比较比较后者的最初比例，我们能够计算出太阳系形成到火星地壳形成所需的时间，根据这一分析，地壳大约形成于太阳系诞生后的一亿年。

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4、火星、地球、金星和水星的演化

诞生于相同的时刻—但它们的道路是如此的不同

可以提出不同的因素来解释这四颗类地行星演化的不同。其中就有初始大小、灾变成坑的历史和内部热损失的过程。

--初始大小：

在大约44.5亿年前的吸积过程的末期，火星的大小是金星和地球大小的一半，体积大约小十倍。这一差别在多方面被证明对行星内部所存储的能量是决定性的。行星越大，对星子的重力加速度就越大，在吸积过程中的撞击就越猛烈。同样，行星越大，内部储存的放射性元素也就越多。更甚者，大行星能更好地保存热量，因为它们更的强重力能够维持稠密的大气层，使热辐射不易传导从而限制能量的损失。这也就是从一开始水星和月球这两个较小的天体冷却得更快的原因。火星居于这两个较小天体和两个较大天体（地球、金星）的中间级。

【图】在地球上….地球的特征是板块构造，它的大陆板块和海洋（岩石层）板块以每年几个厘米的速度移动。这一地表的运动与地幔内部的对流有关。此现象占地幔和地核热量损失的2/3。板块在洋脊的火山带处分离，使得深处的热物质能够排出并以每年3平方千米的速度形成海洋地壳的新地壳物质。左图显示的是大西洋洋中脊，右图是它南方部分的放大图。这一洋脊的火山现象延续距离超过6万千米。在俯冲带，古老的地壳落回地幔，进入再循环。

--灾变成坑：

灾难性陨石撞击的随机过程在行星内部的演化中起着重要作用。以地球为例，在44.8亿年之前那次诞生了月球的剧烈撞击中，地幔吸收了大量的物质和能量。相比而言，水星在另一次撞击中损失了大部分的地幔。

【图】….在金星和火星上。不同于地球，金星和火星没有显示出板块活动的迹象。它们可能通过地幔内的局部流动损失内部的热量（火山），在表面形成地柱。在金星（图a）上的阿尔法地区（Alpha Regio Area）七座扁平的火山丘的高度已经达到了750米（图b）（由麦哲伦金星探测器雷达成像）。在这颗行星上，热量积聚于一层致密的岩石——岩石层之下。因此，大量的火山在5亿到3亿年前的时间里喷发，熔岩覆盖了几乎整个星球表面，抹去了大部分的撞击特征。至于火星（图c），它的火山活动可能仍是相当频繁，特别是在塔尔西斯地区。图片（d）是一张塔尔西斯地区的伪彩照片，其垂直比例被放大了3倍。事实上，由于火星具有非常厚（达到五百千米）的岩石层，隔离了（地表与）地幔和核心的热量，它损失热量相比地球慢得多。同样，不同于已经是部分固态的地核，火星核可能仍然保持着液态。

--热损失的过程：

在经过吸收了物质和重力势能的过程后，行星辐射掉了一些内部能量，包括放射性岩石缓慢释放的热量。这涉及怎样的机制呢？在固态、坚硬的行星的情况下会是一个热量向地表热传导的过程。这一机制使得热量以行星表面积成正比地损失，而保留的热量与行星体积成正比。所以，大体积的行星会比较小的行星损失相对较少的能量。然而，这一模型并没有考虑到地表隔离层的厚度、火山活动和地幔内物质流动的影响。在似乎是固态的地幔中，经过地质时期的演化，热岩石经过变形，带着地下深处灼热的非致密元素来到地表，并在那里冷却。这种所谓的对流现象比传导更有效率地传送和损失热量。地球是现今具有最强对流现象的类地行星，而在月球和水星，地幔的对流已经几乎停止。火星则再一次居于中间。在过去的一亿年里，火星地幔的热量足以进行微弱的对流或至少产生火山活动（特别是一些底部具有局部熔化区域的大型火山）。

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• 【原创翻译】火星——第一部分 行星的诞生(3)

3、核心、地壳和地幔的构成

——行星中心的熔炉

类地行星（水星、金星、地球和火星）由混聚的星子组成。然而，这些行星现在展现出的是非致密的岩石地幔包围着铁质的核心，地幔之上的外部是一层地壳。这一差异不会发生，除非原始行星的内部发生了熔化，过程与在高温工业熔炉中精炼一样。在70年代，多数行星学家认为，热量是由行星内部的放射性元素衰变产生，火星这一积聚足够热量的过程持续了10亿年。然而，通过80年代的火星陨石的分析揭示了更为快速的情景。在这些含有火星地壳形成证据的陨石中，嗜铁体（或爱铁元素，如黄金、铂、钯等）——那些以非常倾向于铁而闻名，甚至在核心中被发现也与铁在一起的元素——并没有呈现预期的数量。这使人相信这样的观点：当行星吸积时，铁元素自火星地壳大量迁移至核心处，核心的形成少于5千万年，甚至仅可能为2千万年。

【图】水星、金星、地球和火星：四个行星都具有金属核心，地幔和外部地壳。此处描述了它们的半径、质量和到太阳的平均距离。水星那相当巨大的核心是个例外。它可能在形成的末期遭遇了一次规模巨大的撞击，在此过程中，撞击者的核心穿透了原行星的地幔并与后者的行星核融合在了一起，而大多数的地幔碎片被抛出。

【图】行星的吸积过程中，星子的撞击释放了巨大的能量。一个直径10米的物体，以20千米/秒的速度（一种陨石典型的撞击速度）撞击地球时，释放的能量相当于10万吨TNT或广岛原子弹能量的7倍。那直径1千米的星子会是什么效果呢？最大的撞击可能将30%的动能转化为热能，热量足以将行星的表面熔化深至几百千米。

事实上，不仅在火星上，包括地球、金星的其他类地行星，吸积本身就产生了足够的热量以熔炉的方式来精炼来自星子所携带的混合物中的元素。在熔炉的中心，氧、炭和氧化铁反应生成铁和二氧化碳：在行星的岩浆中，氧化铁和来自陨石的石墨（即碳质球粒陨石）产生反应生成金属铁和二氧化碳。熔化的铁向行星中心下沉，并在下沉时获得了更多一些的热量。相反地，耐热的氧化物特别是氧化铝和氧化钙像铁渣一样上浮到了行星表面：即“原生地壳”。

【图】火星核心的大小是多少？由什么构成？火星核心和地幔的边界深度还没有进行过直接测量，然而，通过比较火星地壳陨石碎片（如Chassigny陨石）和推测在成分上与星子相似的陨石，（如1938年坠落在坦桑尼亚lvuna的碳质球粒陨石），我们能够得到一些迹象。火星核心的直径大约为1500至1900千米（是整个行星直径的一半），可能由70%到80%的铁组成，并含有一些镍和硫。德国美因兹大学的海因里希（Heinrich Wnke）在研究了SNC陨石后，推断硫的含量为14%，镍的含量为8%。火星核中硫出现的结果是使铁-镍-硫混合物凝固温度降低了近300℃。所以，甚至今天，火星可能仍然拥有一颗完全液态的核。最近由火星全球勘测器的测地学测量倾向于符合这一观点。

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