火星磁場消失“慘案”，全賴自己有顆“硬核”的心？

在太陽系的行星家族中，火星始終是最具傳奇色彩的成員之一。這個紅色星球曾擁有與地球相似的溫暖氣候和廣闊海洋，卻在數(shù)十億年間演變成干燥荒蕪的沙漠世界。這一切究竟是如何發(fā)生的呢？科學(xué)家們一直認為火星磁場的消失是其中重要原因之一。

近期，中國科學(xué)家通過美國航天局“洞察”號火星探測器傳回的地震數(shù)據(jù)，首次證實這顆紅色星球擁有固態(tài)內(nèi)核，這一發(fā)現(xiàn)或許就像找到了一把鑰匙，有望解鎖火星磁場消失、地質(zhì)活動停滯的深層秘密。

神秘消失的 “磁盾”

如果能穿越回 40 億年前的火星，你會看到一個截然不同的世界：廣闊的海洋倒映著藍天，密布的火山還在噴吐著巖漿。那時候的火星還和地球一樣，擁有一個全球性的磁場，它就像一個看不見的巨型盾牌，抵御太陽風中高能帶電粒子的侵襲，呵護著火星。

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火星古海洋藝術(shù)想象圖（來源：University of Colorado）

然而，30 多億年前，這層磁盾突然 “失靈” 了?；鹦侨虼艌錾衩叵В栵L如同脫韁的野馬長驅(qū)直入，無情地剝離寶貴的大氣。漸漸地，“泄了氣”的火星發(fā)生了翻天覆地的變化，表面的液態(tài)水蒸發(fā)殆盡，海洋干涸成荒漠，溫暖濕潤的氣候逆轉(zhuǎn)為寒冷干燥的環(huán)境。直到今天，火星大氣壓強僅為地球的 1%，平均溫度低至 - 60℃，生命的宜居性無從談起。

火星磁場為何會消失？這個謎題始終困擾著科學(xué)家。通常認為，行星磁場的產(chǎn)生源自于行星核心的 “發(fā)電機效應(yīng)”。地球之所以能維持穩(wěn)定的磁場，是因為固態(tài)的地核外層是液態(tài)的鐵鎳合金，這些熔融金屬在地球自轉(zhuǎn)和對流運動中產(chǎn)生電流，進而形成磁場。那么火星的核心發(fā)生了什么，才讓這臺 “磁場發(fā)電機” 戛然而止？

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地核“發(fā)電機效應(yīng)”示意圖。地球外 核由熔融的鐵、鎳等金屬組成，對流產(chǎn)生感應(yīng)電流，在科里奧利效應(yīng)作用下形成復(fù)雜的旋渦狀結(jié)構(gòu)，電流再產(chǎn)生磁場。（來源 ：網(wǎng)絡(luò)）

此前的研究通過火星引力場和地震數(shù)據(jù)推測，火星核心半徑約 1800 公里（相當于火星半徑的一半），且至少部分處于液態(tài)。但核心是否存在固態(tài)內(nèi)核，以及內(nèi)核的狀態(tài)如何影響磁場演化，始終是未解之謎。

傾聽火星的“心跳”

。它就像一臺 “聽診器”，通過捕捉“火星心跳”的細微雜音來判斷“火星心臟”的結(jié)構(gòu)。在運行的 4 年時間里，它記錄了 23 次顯著的火星地震，其中一些低頻地震波穿過火星內(nèi)部，攜帶了核心結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息。

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“洞察”號的科學(xué)載荷（來源：NASA/ JPL-Caltech ）

中國科研團隊對這些地震數(shù)據(jù)進行了細致分析，他們發(fā)現(xiàn)了兩種特殊的地震波：一種是穿過核心最深處的地震波（深核過渡相 PKKP 波），另一種是在內(nèi)核邊界進行反射的地震波（內(nèi)核邊界反射相 PKiKP 波）。這兩種地震波的傳播速度和路徑，清晰地揭示了火星核心存在一個固態(tài)的 “內(nèi)核”。

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兩種火星地震相的路徑（來源： Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Nature 645, 67–72, 2025）

通過精確計算，科學(xué)家確定這個固態(tài)內(nèi)核的半徑約為 613 ±67 公里，相當于火星半徑的 1/5，火星核心總半徑的 1/3。更令人驚訝的是，當?shù)卣鸩ù┻^內(nèi)核邊界時，縱波速度突然躍升了 32%，這種劇烈的速度變化只有固態(tài)物質(zhì)才能解釋——就像聲波在固體中的傳播速度顯著快于在水中的傳播速度。

這一發(fā)現(xiàn)刷新了我們對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認知。原來火星和地球一樣，擁有 “固態(tài)內(nèi)核 - 液態(tài)外核 - 地幔 - 地殼” 的分層結(jié)構(gòu)，堪稱 “縮小版地球”。地球內(nèi)核占整個地核約 55%（半徑比），而火星固態(tài)內(nèi)核占整個核心的 34%，比例上也不算差得很遠。這種結(jié)構(gòu)上的相似性，或許在暗示太陽系類地行星可能有著相似的形成和演化機制。

內(nèi)核結(jié)晶的“魔法”

火星固態(tài)內(nèi)核的發(fā)現(xiàn)，也直接證明了其核心正在經(jīng)歷劇烈的結(jié)晶過程。打個比方，這個過程就像一鍋慢慢冷卻的糖水：當溫度降低到一定程度，糖會從溶液中析出，形成固態(tài)的糖晶體，那么剩余的液體則變得更稀薄?；鹦呛诵牡慕Y(jié)晶過程與之類似，只是溶質(zhì)換成了鐵、鎳和氧、硫等輕元素。

在高溫高壓的核心環(huán)境中，更重的鐵鎳合金首先開始結(jié)晶，形成行星的固態(tài)內(nèi)核。較輕的氧、硫等元素則留在外層，形成液態(tài)的外核。這種物質(zhì)分異產(chǎn)生了兩個重要結(jié)果：一是內(nèi)核邊界會出現(xiàn)顯著的密度和速度的跳變，這與地震波觀測結(jié)果完全吻合；二是輕元素在外核的富集改變了液體的密度和黏度，影響了外核的流動。

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火星核心與地球核心對比 （來源： Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Nature 645, 67–72, 2025）

另外，測量數(shù)據(jù)顯示，火星內(nèi)核的密度明顯低于純鐵鎳合金的密度，說明其中含有大量輕元素——推測氧的含量可能達到 6.7-9.0%，硫的含量約 12-16%，還有少量碳。這些輕元素就像溶液里的“雜質(zhì)”，降低了內(nèi)核的熔點，使得結(jié)晶過程能在較低溫度下緩慢進行。

結(jié)晶過程還會釋放大量的熱量，這些熱量推動外核的液態(tài)金屬流動的驅(qū)動力量，就像給水壺底部加熱，會讓壺里的水產(chǎn)生對流循環(huán)。這種流動是維持 “磁場發(fā)電機” 運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

磁場消失的“悲劇”

火星固態(tài)內(nèi)核的發(fā)現(xiàn)，終于為磁場消失之謎提供了合理的解釋。這顆紅色星球的 “磁場發(fā)電機” 并非突然宕機，而是隨著核心結(jié)晶過程的減緩而逐漸 “熄火” 的。

早期的火星核心完全處于熔融狀態(tài)，那時的外核溫度高、對流強，“發(fā)電機效應(yīng)” 顯著，產(chǎn)生了強大的全球磁場。但隨著時間推移，核心開始冷卻，鐵鎳合金逐漸結(jié)晶形成固態(tài)內(nèi)核。結(jié)晶過程釋放的熱量也一度維持著外核的對流，事情到這里跟地球差不多。但是，內(nèi)核長大到一定程度后，情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。

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現(xiàn)如今荒蕪的火星（來源：國家航天局）

內(nèi)核的結(jié)晶，增大了固態(tài)內(nèi)核，卻減少了外核的體積，參與對流的液態(tài)金屬量減少。核心整體溫度降低，結(jié)晶釋放的熱量不足以抵消熱量的流失，外核的對流運動逐漸減弱。當外核的對流速度低于某個臨界值時，“磁場發(fā)電機” 就無法維持了。更關(guān)鍵的是，火星體積較小（僅為地球體積的 15%），散熱速度比地球快得多，這使得核心冷卻和結(jié)晶過程更快結(jié)束。相比之下，地球的內(nèi)核仍在緩慢結(jié)晶，但地核總量較大，外核對流依然活躍，因此磁場得以長期維持。

核心結(jié)晶釋放的熱量減少后，整個星球的地質(zhì)活動也隨之減弱。地球的板塊運動、火山噴發(fā)等地質(zhì)活動，其能量來源很大程度上依賴于地核的熱量輸出。而火星就沒那么“幸運”，核心的冷卻，不僅導(dǎo)致了磁場消失，也讓這顆紅色星球失去了活力，漸漸“死去”。

火星固態(tài)內(nèi)核的發(fā)現(xiàn)，就像是挖掘出一本塵封已久的火星史書，讓我們有機會看到這顆星球如何從生機勃勃演變?yōu)榛氖徦兰?。它提醒我們，行星的?nèi)部活動與表面環(huán)境之間存在著深刻的聯(lián)系 —— 一個小小的內(nèi)核變化，就能引發(fā)連鎖反應(yīng)，徹底改變整個星球的命運。

參考資料：

Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars. Nature 645, 67–72 (2025).