本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛 。
科学家们终于弄清了原因；为什么两个最宜居的星球却有着不同的命运 。
按比例放缩的火星和地球（如图） ， 显示出地球比我们的“红色的邻居”火星更大更适宜生物生存 。 火星 ， 一颗红色行星 ， 没有可以保护它免受太阳风的磁场 ， 这就意味着某种程度上火星会失去的它的大气层而地球并不会 。
（图源：NASA）
想象一下 ， 回到亿万年前 ， 在我们的太阳系的早期 。 太阳更冷更暗 ， 但是存在着（至少）两个行星——地球和火星 ， 它们的表面的很大一部分都覆盖着液态水 。 由于包括二氧化碳的温室气体的大量存在 ， 世界也并非是完全被冰冻 。 地球和火星早期的海洋中甚至都存在原始的生命形式 ， 这就为生物友好型的光明未来铺平了道路 。
在过去的几亿年中 ， 地球和火星都经历了巨大的变化 。 到现在为止 ， 由于某些原因 ， 地球变得富含氧气 ， 保持着温和的温度 ， 并且可以看到地球表面的生物激增 ， 而火星却“死掉了” 。 它的海洋消失了；它的大气层也没了；并且已经找不到任何生命迹象了 。 一定是有什么原因导致火星“死”了 ， 地球“活”了下来 ， 虽然花费了数十年 ， 但科学家最终还是搞清了其中的原因 。
来自芝加哥菲尔德博物馆 ， 石灰岩中的三叶虫化石 。 所有现存化石化的生物体的“血统”都可以追溯到生活在约35亿年前共同的祖先 ， 过去550百万年所发生的很多事情都被保存记录在地球上沉积岩的化石中 。 （图源：JAMES ST. JOHN / FLICKR）
地球最为壮观的特点之一就是我们所处世界的生命史都被书写在了化石之中 。 在过去的亿万年中 ， 沉积物被陆地和海洋所保存下来 ， 而其中蕴藏着各种生物体生活过的痕迹 。
地球上10%的沉积岩都是石灰岩 ， 这些石灰岩通常都是由像珊瑚、阿米巴原虫、藻类、浮游生物和软体动物等的海洋生物的残余物构成的 。 石灰岩主要是由碳酸钙构成的 ， 但目前也有一些形态中含有镁和硅 。
在沉积岩中的白垩系-古近系界线层非常明显的 ， 然而 ， 正是这薄薄的灰层以及它的元素成分让我们了解到造成大灭绝的小行星撞击事件 。 地球有数百米的沉积岩覆盖在其表面 ， 几乎无处不在 ， 沉积岩中总共约有10%由石灰岩构成 。 （图源：JAMES VAN GUNDY）
“碳”在地球上的石灰岩还有其他海洋中储藏的矿物质（像富含镁的白云石）中是很普遍的 。 正是大气中的二氧化碳导致了碳酸盐岩的构成 ， 因为
大气中的气态CO?不断被海洋吸收直至达到一个均衡点 ，
然后海里的二氧化碳与水中的矿物质（如钙、镁等）结合 ，
形成颗粒物或者化学沉淀物 ，
然后沉淀在海底 ， 导致沉积岩的形成 。
我们所发现的石灰岩的生物和地球化学起源 ， 赋予了石灰岩“地表最丰富的岩石”的称号 。 人们普遍认为 ， 地球早期的CO?最终都“跑”到了地球表面的石灰岩中 。
【大气层|火星没有生命，地球充满生机，“红蓝兄弟”为何命运截然不同？】
火星上遍布的季节性冰冻湖泊向我们展示了火星表面存在（非液态）水的证据 。 这只是说明火星过去有水的存在的众多证据中的一小部分 。 （（图源：ESA/DLR/FU BERLIN (G. NEUKUM)）
有大量的证据证明火星过去有水存在——季节性形成的冰不只存在于在极点 ， 也存在于点缀着火星表面的各种盆地和陨石坑里 。 像干枯的河床这样的特征常意味着蜿蜒的牛轭湖（U型湖） ， 就像地球上延伸在各处景观中的小溪 。 甚至遍布这颗红色星球的潮汐韵律也很可能是古代河流汇入巨大的海洋盆地的证据 ，。
这些特征显示出一种明确的迹象——过去古老的火星水量充沛 ， 而今日却不再 。 取而代之的是 ， 火星上几乎没有纯净的大气层 ， 实际上火星上的大多数地方都不可能存在未污染的液态水 ， 是因为火星表面的压力根本不足以使液态H?O存在 。
牛轭湖只有在一条河流“漫漫生命历程”的末期才会出现 ， 并且如今我们在火星上发现它 。 如果将这一特征判定为冰川的流动、侵蚀或除了自由流动的液态水以外的其他任何方式所造成的 ， 那简直是大错特错 。 （图源：NASA / MARS GLOBAL SURVEYOR）
甚至在我们用探测器对火星表面进行探索之前 ， 就已经有了火星曾经有水存在的充分证据 。 然而 ， 当我们开始认真对火星表面进行探测时 ， “证据”就显得十分有力以至无法忽视 。 机遇号火星探测器发现的赤铁矿球体几乎印证了这一证据 。 特别是有些球体看上去是以某种方式与另一个球体连在一起的 ， 这种构成方式不存在什么合理的可能性 ， 除了液态水 。
由于火星曾经拥有与早期地球相似的富含二氧化碳的大气层 ， 人们认为在火星表面会发现石灰岩和其他碳酸盐岩石 ， 但是“海盗号”、“旅行者号”、“勇气号”以及“机遇号”都一无所获 。
“机遇号”在火星发现了赤铁矿球体和球状体 。 虽然还是可能存在有某种机制 ， 在液态水不必要参与的条件下构成它们 ， 但是已知的机制甚至在理论上 ， 也无法在缺少水的条件在让赤铁矿球体和球状体（如所发现的那样）“融”在一起 。 （图源：NASA / JPL / CORNELL / USGS）
直到“凤凰号”火星探测器去了火星才发现了二氧化碳 ， 虽然那只是很少的量：就像被蒸发的水在它最后的阶段那样 。 与地球上绵延数百米（或者有些地方甚至会超过一千米）的碳酸盐岩石相比 ， 火星上的这点根本算不了什么 。
这可难坏了海洋科学家们 。 约20年前 ， 几乎全部的预期都认为火星是像地球那样流失了它的二氧化碳：二氧化碳 “跑”到了海洋中然后被碳酸盐岩石所保存 。 但探测器所发现的并非如此 。 事实上 ， 他们发现了其他可能同样令人惊讶的东西——取代碳酸盐岩石的是：富含硫的矿物 。 而正是“机遇号”的发现——黄钾铁矾 ， 彻底改变这个故事 。
维多利亚陨石坑的边缘有许多这样的海角 ， 圣文森特角是其中之一 ， 它显示出某种特定的颜色 。 分层的地面为火星的沉积岩历史提供了证据 ， 同时也暗示了曾经有液态水的存在 。 “机遇号”关于黄钾铁矾的发现成为了火星地质学的“游戏规则改变者” 。 （图源：NASA / JPL / CORNELL）
这就使得科学家们将火星描绘成了一幅与地球完全不一样的图景 。 在地球上 ， 我们的海洋pH值大约是中性的 ， 十分有利于碳酸盐岩的沉淀 。 即使是在富含CO?的环境中 ， 碳酸也使得pH值处于足够高的水平能使碳酸盐沉淀 ， 让地球表面遍布石灰岩和白云石 。
但是“硫”戏剧性地改变了整个故事 。 如果火星早期的大气层不仅富含二氧化碳 ， 还有二氧化硫 ， 那它表面的水则会被硫酸而不是碳酸影响——硫酸是化学中最强的酸之一 。 如果海洋足够酸 ， 那么就会发生与地球上相反的反应：碳酸盐从陆地上被“吸取”出来而被“置换”到了海里 ， 将富含硫的沉积物留在了陆地上 。
这里所展示的佩森脊（Payson Ridge）是“机遇号”在火星上发现的一处地貌 ， 但甚至到了今天都无法解释它的形成 。 火星上发现的许多沉积岩都含有硫 ， 而很少含有碳 。 这也是多年来火星地表的几大“未解之谜”之一 。 （图源：NASA / JPL / CORNELL）
这就能解释火星的海洋和地表化学了 ， 但是也意味着我们需要一整套完全不同的机制来解释火星大气跑到哪去了 。 地球的大气层很大一部分都被自身吸收 ， 但这并不能简单套用于火星 。
除了“向下（被吸收沉淀）” ， 也许大气层也可能“向上”跑到宇宙深处 。
如同地球一样 ， 也许火星也曾拥有磁场来抵御太阳风 。 但是由于火星的直径只有地球的一半 ， 且其地核更小密度更低 ， 可能火星太“冷酷”了（太冷了） ， 其活跃的磁场都变得安静不活跃了 。 同时这也是一个转折点：火星没了“磁场盾牌”的保护 ， 在太阳风粒子的猛烈攻击下也就没有可以用来防御的东西了 。
太阳风以球状从太阳向外辐射 ， 使得太阳系中的所有星球都处在被掠走大气层的危险之中 。 地球的磁场至今都很活跃并保护我们的星球免受太阳风所传播的粒子的侵袭 ， 而火星没有磁场 ， 时至今日还不断损失着它的大气层 。
这么想真的对吗？火星失去大气层 ， 被夺走了使液态水存在于其表面的能力 ， 并且还处于又冷又荒凉又贫瘠的状态 。 这是真正的原因吗？
这就是NASA的MAVEN（火星大气与挥发物演化任务探测器）的总体目标——测量如今太阳风从火星掠走大气层的速度 ， 并由此推测整个历史进程中火星被太阳风掠走大气层的速度 。 太阳风是很强大 ， 但像二氧化碳分子 ， 由于其分子量很大 ， 这就很难让它们达到逃逸速度 。 我们能从磁场的丧失和太阳风中找到一种可行的机制吗？这种机制能解释火星是如何从一个表面有液态水且拥有大气层的世界变成了如今我们所知的火星吗？
没有活跃的磁场保护 ， 太阳风不断地侵袭火星的大气层 ， 使得构成大气层的一部分粒子被掠走 。 现在 ， 如果我们给火星注入像地球这样的大气层 ， 那太阳风把它削减回现在的密度水平也只是几千万年的事 。 （图源：LUNDIN ET AL. (2004) SCIENCE, VOL. 305. NO. 5692, PP. 1933–1936）
MAVEN所探测到 ， 火星平均每秒流失到宇宙中的大气损失约为100克（?磅） 。 而耀斑会让太阳风变得更强 ， 增至平常值得二十倍左右 。 所以 ， 即使当大气层变得更稠更密时 ， 同样水平的太阳风照样会掠走它的大气层 ， 并且还是以更快的速度 。
在没有磁场保护地暴露于太阳风中 ， 仅仅一亿年的时间足以改变火星这么大小的世界 ， 把它从拥有像地球一样的大气层的样子变成如今我们所看到的火星那样 。 可能在液态水自由地在火星表面凝结、流动的这十亿年过去后 ， 宇宙历史的一小点就足以吹散火星的可移居的光明前景 。
火星和地球早期的大气层都又厚又稠密 ， 且极富CO? 。 地球的二氧化碳被吸收进了海洋、被锁在了碳酸盐之中 ， 然而由于火星的海洋太“酸（性）”了 ， 无法像地球那样保存二氧化碳 。 这才造就了我们的探测器和着陆器所发现的那样的火星地貌 ， 并且揭露了不断“遗失”的火星大气层这一秘密的另外一个“罪魁祸首”——太阳风 。
正是NASA的MAVEN任务 ， 才让我们确认了这一段历史实际上是那样发生的 。 四十亿年前 ， 火星的地核变得不活跃 ， 其磁场也消失了 ， 太阳风就掠走了它的大气层 。 而我们的大气层完好无损 ， 在可预见的未来中 ， 我们的“蔚蓝星球”因此也得以保持蓝色并且充满生机 。 但是对于那些像火星一样的更小的世界 ， 它的“命数已尽” 。 不过 ， 所幸最终我们还是弄清了其中的缘由 。
作者: Ethan Siegel
FY: U_Uranus
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