行星移动与太阳系起源

火星是距离太阳最远的岩质行星，它拥有太阳系中最大的火山（奥林匹斯山）和最长的峡谷（水手谷），而且还是最高点和最低点高度差最大的天体——火星最高点与最低点之间相差30千米。多个轨道航天器和着陆器，包括4辆登上火星表面的探测车绘制出了火星的整体地图，并对它进行了全面研究。由于火星表面和地球有很多相似之处，且火星是太阳系中为数不多可能存在生命的地方，所以关于火星的话题仍然令人很好奇，且需要仔细研究。但是，地球和火星还是存在本质上的不同。

和地球相比，火星的体积非常小，这是它最令人困惑的谜团之一。火星是地球和小行星带之间唯一一颗行星，小行星带里的物质非常多，而火星的质量却只有地球的1/9。计算机模拟表明，最可能的原因是在火星形成时，位于太阳星云该位置的固体物质很少。2009年，行星科学家布拉德·汉森（Brad Hansen）发现，假如他假设形成行星所需的所有行星胚胎最初都位于距离太阳0.71.1天文单位的一个圆环里（完全在火星轨道内），那么他就可以很好地还原出4个类地行星的大小。这个圆环里的大多数行星胚胎最终都成了地球或金星的一部分，只有一小部分被驱逐出这个圆环，到达了火星和水星今天的轨道。

为什么地球和小行星带之间的物质质量这么小呢？行星科学家凯文·沃尔什（Kevin Walsh）和他的合作者近来提出了一个可信度高的解释。系外行星的发现说明行星具有高度的移动性。巨行星，比如木星，倾向于在物质的引力相互作用下在整个原行星盘范围内迁徙。一般来说，巨行星会朝向它的恒星迁徙。但计算机模拟表明，如果该行星更远的地方有一颗较小的巨行星，如土星，它就会向相反的方向迁徙。沃尔什提出，木星是太阳系中最早形成的巨行星，它在形成后又向内移动，穿过了小行星带。当木星到达离太阳1.5天文单位的位置时，土星已经成长到足够逆转木星的迁徙的程度，这使木星又往回穿过小行星带，然后退到现在的位置。这个猜想被称为“大转向假说”，“转向”是一个航海术语，用于指船相对风的方向改变航向。

这个假说的重点是，木星在太阳星云内迁徙的过程中，它的引力会给星云内其他天体带来灾难性的后果。小行星带中的大部分星子和行星胚胎可能都和木星碰撞过或被抛向太阳系的其他部分。位于今天火星所在区域的许多天体可能也经历了相似的命运。最终结果就是，如今木星和火星所在的区域都失去了形成行星所需的大部分物质，只够形成“发育不良”的火星，小行星带里的物质则更少。木星的来回迁移可能扰乱了星子的轨道，并将含有大量水和碳的其他星子从外太阳系抛到小行星带。除了可以解释火星和小行星带的低质量外，它还可以解释今天的小行星为何成分如此多种多样。

但大转向假说为人们所诟病的一点是，它对时间的要求非常苛刻。它要求土星的形成时间既不能太早，也不能太晚：太早形成则木星无法进入小行星带；太晚形成则地球和金星今天所在的区域会被木星扰乱，从而使类地大行星不复存在。也许，太阳系只是歪打正着罢了。宇宙中像太阳系这样的星系非常少，这使得火星变成一个“怪胎”。或许再过几年，随着大量系外岩质行星被天文学家发现，大转向假说的合理性才会显现出来。

火星有两个小卫星，分别是火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos），它们都拥有不规则的形状，平均直径分别只有22千米和13千米，看起来像两颗长满陨击坑的大圆石。它们的起源至今仍然成谜。有一个说法是，它们可能是被火星俘获的小行星，因为它们看起来也很像小行星。而另一个说法是，火卫一和火卫二是由火星被撞击后抛出的物质构成的。

和其他类地行星一样，火星也有不同的圈层结构。火星的两颗卫星的轨道运动说明，火星的中心有一个致密的内核，很可能含有大量铁。科学家在研究了来自火星的陨石后也得出了相同的结论，火星陨石为火星成分的研究提供了宝贵的信息。和地球上的岩石一样，火星陨石中的亲铁元素（容易和铁发生反应的元素）也非常少，这说明火星中的大多数铁也和地球一样存在于内核中。和地球的情况一样，火星上的亲铁元素的总体含量也比想象中高，因此在内核形成后，它们一定又增加了一层物质。

通过测量同位素钨-182的含量便可以测定出火星内核的形成时间，地球内核的形成时间也是通过这种方法推算出来的。火星陨石中的钨-182含量比地球岩石高出不少，这说明火星的成长速度比较快，它的内核形成时间比地球更早。根据火星的钨含量推测，火星的形成时间一定是在太阳系形成之后的2000万年内，它的成长时间可能只有200万年。如果它真的只花了200万年就成形的话，那么火星在它的寡头式生长阶段应该就已经达到当前的规模了，所以它更像是一颗剩下的行星胚胎，而不像是地球这样的行星。

火星表面主要由两种截然不同的地形组成。它的南半球以布满撞击坑的高地为主，北半球海拔较低，撞击坑也比较少，因此地势相对平缓。火星高地撞击坑的大小和月球、水星表面的很像，因此推测它们极有可能是同时形成的。火星的北半球在过去的某个时候一定也布满了坑洞，但在大碰撞事件后，北半球被岩浆淹没了。火星也有几个比较大的撞击坑，比如南半球的希腊盆地（Hellas Basin），它的直径达到2000千米以上。形成该盆地的撞击将大量碎片抛向周围，这就可以解释火星南北半球的许多差异了。它们的差异也有可能是由火星形成后不久经历的一次更大的撞击造成的。

火星的赤道附近有一大块高高隆起的区域，里面有多座大火山，包括约30千米高的奥林匹斯山，它是太阳系中最大的火山。这些火山看起来都已有几十亿年的历史了，且都位于热点（火星地幔物质向上涌出的地方）上方。虽然地球上也有热点，但地球表面的板块运动使得热点上的火山不会发展得太大。而火星上的火山从表面看是静止的，但由于没有板块构造，火山会一直位于同一个热点上面，并逐渐变大。火星火山周围的熔岩流很少有撞击坑，这说明这些表面是刚形成的，这也是这些火山如今仍然活跃的标志。许多火星陨石同样可能来自近期活跃过的火山地区。

火星今天虽然没有全球性磁场，但它早期肯定有。火星轨道探测器发现火星地壳中某些区域的岩石具有强磁性。它们是岩浆凝固时熔岩里的含铁矿物被火星磁场磁化而形成的。目前已发现的磁化岩石都来自火星上经历过众多撞击的古老区域或是最古老的火星陨石。这说明火星的磁性早在它的早期，也就是大约40亿年前时就已经消失了，原因可能是在火星冷却到一定程度后，它的内核已无法维持发电机效应。(www.xing528.com)

火星的岩石圈和金星一样是一整块，不像地球被划分成了多个板块。火星是否有过板块构造目前仍是一个未知数。有趣的是，磁化区一般都位于互相平行的带状区域，这说明在很久以前，火星的表面是从一个地方蔓延形成的，就像地球的洋中脊形成海底一样，这点我们会在第11章介绍。早期活跃的板块运动也许能够解释火星南北极的某些差异。但是，火星体积小、散热快或许决定了它无法形成稳定的板块构造。火星的表面在火星形成以来的大部分时间里一直都处于静止状态。

火星和地球一样，两极都有极冠，但和地球由纯冰构成的极冠不同，火星极冠的主要成分是水冰和结了冰的二氧化碳。目前，火星的极冠含有的水已经足够形成一个几十米深的全球海洋。在远离火星赤道的高海拔地区的地表下也存在大量冰。火星上有几个地方的迹象表明，它的表面在近期曾经存在过少量水，但时间不长——今天火星表面的水从来没有稳定过，在低大气压强条件下，它们会迅速结冰或蒸发。

然而，有许多迹象表明火星表面在早期曾经存在过大量水（图9-6）。经发现，火星上年代久远的表面存在类似地球的山谷网络。通过周围岩石中被刻蚀出的河道判断，这些山谷在很长一段时间里有水流动。另外，在一些较新形成的地区发现了一种不同的山谷类型，看起来像是由突发的洪水形成的，也可能是地下水突然爆发或冰雪突然融化形成的（图9-6）。火星表面有几个地方被发现存在矿物，它们应该是盐水湖或小海洋逐渐蒸发后形成的。比如，NASA的“机遇号”（Opportunity）火星探测车在2011年发现了一处石膏矿脉，石膏即硫酸钙的水合物，因此几乎可以断定它是水沉积后形成的。

图9-6　火星的曼加拉谷地区。该河道网络被认为是液态水（很可能是地下水）淹没火星表面后形成的。该图片由欧洲南方天文台的“火星快车号”（Mars Express）空间探测器拍摄［图片来源：ESA/DLR/FU（G.Neukum）］

火星距离太阳较远以及上面的大气较稀薄都意味着，它的表面温度比地球今天的温度低得多。在很长一段时间里，火星的地表水只是昙花一现，因撞击或火山活动使一小部分区域短暂升温造成的。但也不排除火星过去比现在暖和的可能，也就是说，火星过去的大气比今天的厚，而且含有大量诸如二氧化碳和甲烷等温室气体。

火星早期的火山活动应该释放了大量气体，形成了一层厚厚的大气。但是，以它今天的同位素种类来看，这些气体大部分应该都已经逃到太空去了。火星体积小，因此引力和水星一样都比较低，撞击可能将它的大量大气蒸发到太空。而来自年轻太阳的强紫外线辐射和太阳风的作用则削弱了火星的大气，特别是在火星的磁场消失后。如果火星曾经拥有一个厚厚的大气层，那它可能是在火星形成后的10亿年内消散的。自那以后，板块构造和地壳循环不再发生，这说明火山活动太少，不足以补充大气。

今天，火星稀薄的大气很难起到保温作用。火星表面几乎永远处于冰冻、干燥和布满尘埃的状态。由于缺少臭氧层，太阳的紫外线可以一路畅通无阻地到达地面，使地面形成高度氧化的化学物质，并破坏有机物。难怪，今天火星表面没有生命存在。也许火星的地下有生命存在，但目前还没有证据可以证明。火星是所有类地行星中唯一一个有可能存在生命的星球，可能是过去，也可能是现在。但和地球相比，火星较小的体积以及它特殊的历史，都使它难以成为一个宜居地。

撞击、引力、放射性发热以及与太阳和巨行星的相互作用，造就了太阳系四大岩质行星各不相同的历史。除了它们以外，内太阳系中还有另一颗大岩质天体，它和上面提到的行星既有许多共同之处，又有所不同。下一章，让我们一起来了解月球是如何演变的。