像鸡蛋？分三层？揭密火星的内部世界丨奔·火
2020/10/12 7:00:00 科学大院
在目前已知的太阳系八大行星中，水星、金星、地球和火星统称为“类地行星”。“类地”可以理解为类似地球的意思，因为它们和地球一样，外壳是固体表面，主要由岩石类物质构成。这类行星的内部都有类似鸡蛋一样的分层结构，火星也一样，从里到外可以简单地分为三层，即火星核(蛋黄)、火星幔(蛋清)和火星壳(蛋壳)。
火星(上)和地球(下)的内部结构对比示意图
(图片来源：美国宇航局官网、Lawrence Livermore国家实验室)
为什么会形成这样的分层结构？
我们可以用四个字来生动地解释这个过程——“行星分异”。这听起来似乎很难懂，但简单说来就是：重的物质不断下沉，轻的物质不断上浮。当然，并不是所有天体都会“分异”，要个头足够大才行，体积太小就没有足够的能量来维持熔融状态和分异过程。
宇宙中的一切自然物质都是由多种元素组成，其中一些天然元素具有放射性，这些放射性元素很不稳定，在自然状态下会不断地放出粒子或射线，最终衰变成稳定的元素而停止放射。行星在形成之初，其内部的放射性元素在衰变过程中产生的热能，再加上行星在成长过程中的动能转换成的热能，都会让行星内部不断地被加热。
火星的个头虽然不是最大的，但也“达标”了，这样使得它在形成过程中不再静止不变，而是不断地被加热。体积越大的岩石类行星，所产生的热量就越大，大到足以让行星将自身“熔融”，从而造成行星内部物质的“分异”。
由于铁等金属类物质较重，它们会逐渐向中心“下沉”形成金属内核，而硅酸盐类物质较轻，会“上浮”形成原始的幔层。此后，还会继续分异，含有更轻元素的硅酸盐物质会浮到最上面形成壳层，最终形成“核、幔、壳”的分层结构。当然，实际的分层情况非常复杂，远不止简单的核幔壳三层结构。
相对于经历了46亿年漫长演化的地球而言，火星的个头还是太小，内部的热能没能维持太长时间，在35亿年前就早早地冷却了，也因此可能很好地保留了早期演化的信息。通过了解火星的内部结构，可以追溯类地行星，甚至整个太阳系行星的形成和演化。
火星的内部结构究竟是怎样的？
根据已发射的火星探测器的探测结果和模型计算，一般认为火星壳和火星幔都是由含硅酸盐的岩石类物质构成，火星壳的厚度约10-50千米，火星幔的厚度约1700-2100千米。火星核主要由铁镍金属组成，可我们还不知道它是固态还是液态。目前的研究认为，火星核不太可能是液态。因为如果火星核现在仍是液态，那里面的温度必然很高，这样才能保持熔融状态，而液体就会导电，也会流动，但目前的证据都不支持这些“状态”。
那么，火星的内部结构，尤其是内核到底是怎样的？
谜底即将揭晓，因为此时此刻，有一个小家伙正在火星表面努力地工作着。即2018年5月美国宇航局发射的“洞悉号”探测器，专门研究火星的内部结构：其携带的科学仪器“火星内部结构地震仪(SEIS)”，会倾听火星的心跳，记录下火星内部的每一次震动和小行星撞击事件；“热流和物理特性探测包(HP3)”将钻孔到火星表面5米以下，测量火星内部的温度；“自转和内部结构实验装置(RISE)”将测量火星自转产生的摆动等。
2018年5月美国发射的“洞悉号”火星探测器
(图片来源：美国宇航局官网)
在同年11月抵达火星后，“洞悉号”已在火星上忙活了一年多，但这还不够，想要知道火星内核的信息，需要数个火星年的数据才能更准确地进行判断，而火星的一年(687天，相当于1.88个地球年)大概相当于地球的2年。所以我们还要再耐心地等上一段时间。
写在最后
40多亿年前，地球和火星等类地行星都由相似的初始物质构成，为什么后来却大不相同？地球自形成以来就一直处于不断地演化之中，其早期的分异和形成过程对于认识地球的构造和演化规律至关重要，但相关信息已经被长期的板块构造活动和风化作用等破坏殆尽。而火星内部可能很好地保留了这些早期演化的信息。
通过比较地球与火星的内部结构，有助于我们更好地理解40多亿年前地球等类地行星的早期状态和演化规律。期待未来的探测和研究能够解答更多的谜团。
作者单位：中国科学院月球与深空探测总体部 中国科学院国家空间科学中心
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