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火星之水從哪來,擴散宇宙間不復還?

科學月刊_96
・2018/11/20 ・2787字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 557 ・八年級
  • 劉玲根/1971 年獲美國羅徹斯特大學博士。1974~1996 年任教澳洲國立大學,1994~2007 年任職中央研究院。1974 年合成鈣鈦礦結晶形鎂鐵矽酸鹽,或稱劉氏石,約半個地球是由此類礦物所組成。

近年人類對火星上水的問題,從來就沒有失過焦。今(2018)年 7 月,歐洲太空總署(ESA)發布新聞表示,依據火星快車號(Mars Express)於 2012 年 5 月至 2015 年 12 月間所收集的雷達數據,並經科學家近 3 年的分析研究,在火星南極冰蓋(應是固態CO2)下約 1500 公尺的深處,識別出一片 20 公里寬的異常明亮的反射體。在排除其他可能性後,最終論定此明亮反射體應該是冰蓋之下的一個介面,而介面下極可能是一個地下湖。

地下湖模擬圖。source:wikipedia

雷達數據無法給出湖水的厚度及其它細節,但能在零下幾十度的環境中仍不結冰,代表其鹽分含量極高,應該接近「鹵水」。巧合的是,今年 6 月,美國太空總署(NASA)也宣佈,火星探測器「好奇號(Curiosity)」發現埋藏在遠古沉積物中的複雜有機物質。大分子有機物質的發現也一樣提示著火星有水,更進一步暗示火星上的水已衍生出有機物質或生命的可能性。其實,早在 2008 和 2015 年 NASA 就曾發表在火星表面找到水,不過,嚴格地說,這些火星水報導的真實性還有待未來的驗證。

現今人類發射各式探測器至火星上偵測、採樣,就已發佈的新聞而言,在在證明火星是有水的。其實,上世紀科學家也早就從地球上仔細觀察過火星表面的地貌和地形,並推論出火星過去應該是有水的,而且還極有可能存在過大量的水或海洋。至於火星到底有多少水?

為了解答此問題,許多科學家都集中研究推估火星固化後釋放出來的水到底能形成一個多深的海洋。1984 年,斯奎爾斯(Steven W. Squyres)推估釋放出來的水只能形成一個 10~100 公尺深的海洋,而卡爾(Michael H. Carr)在 1986 年則推估火星海洋應有 500~1000 公尺深。但這也還只回答到問題的一部份,火星內部是否還有水?又有多少?而火星的水又由何而來?

火星上的水分示意圖。Credit: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

火星上的水從哪來?為什麼留不住?

科學家對此類問題的討論基本上也只能由一些觀察和假設來探討,而在 30 年前,1988 年筆者所發表的論文中,假設太陽系的內行星(terrestrial planets)是由類似原始固體微星(planetesimal)物質所依附會聚(accreted)成長而來的。微星物質中應該會含有少量的含水礦物(hydrous minerals),因為含水礦物在地球表面所發現的石隕石(stony meteorites)中是存在的,所以這樣的假設應是十分合理的。

年輕恆星形成的過程。source:wikipedia

在固體微星物質依附會聚的初始,微星物質相互撞擊的引力應該不是很大,只是相互依聚在一起而已,等到依聚體愈長愈大後,相互撞擊的引力也就愈來愈大。根據含水礦物的撞擊高壓實驗結果,在撞擊壓力超過 200仟巴(kbar)時,就會釋放出水(H2O);超過 600仟巴時,會釋放出所有的水。

綜合各科學家的推論,筆者假設原始固體微星物質中含有 0.33%重量比的水(這是最保守的數量),如此就能計算出金星、地球和火星在成長早期可能已埋藏相當於今天地球表面海洋的水量(大約1.4×1024克),如圖一中的 M1。再加上內行星半徑成長到超過約 2600 公里後因撞擊出現的岩漿海(magma ocean)融入的水,火星內部的水可能比地球表面的海洋還要多上幾倍。

火星是內行星中距太陽最遠,也是最冷的內行星,其總質量相對於金星和地球也小上許多,所以火星成長後外圍的岩漿海應該早已完全固化。若火星表面寒冷,在固化時或固化後,岩漿海或含水礦物中的水應釋放出進入大氣或直接以液態水滲出(degassing)表面。大氣中的水分子既會逃逸到外太空去,也會凝結成水而積存成海洋,就看孰快孰慢。火星半徑只有地球半徑的 0.53,並不需要太多的水,就能生成相當深的海洋。在筆者 1988 年的論文中推估火星固化後能釋放出大約 4.5×1023 克的水,若沒有揮發丟失的話,能在火星表面形成一個平均 3000 公尺深的海洋。依據火星內部溫度分佈的模型,論文中也推論滲出的液態水至今可能還存在火星的表層中。

假設金星、地球和火星會聚成長的過程。R1 的半徑相當於表面撞擊力達到 600 仟巴的時候,R1 內的質量為 M1,M1 內應已埋藏了大約 1.4 x 1024 克的水。內行星成長超過 R1 時,行星表面和撞擊上來微星所含的水會全部釋放出來並逃逸到外太空去,而且是一去不返的。等行星半徑長大到R2,而M1加上M2的總質量已大於8.06 x 1026克時,撞擊出的水就會被成長的行星抓獲成為它的原始大氣。
火星的半徑要比水的 R2 小,所以火星的質量或引力無法抓獲氣體水分子成為它大氣的一員。同樣的道理,地球半徑要比氦、氫的R2小,所以氦和氫就無法成為地球的大氣了。不同氣體的 R1、R2、M1 和 M2 數值大小是不相同的,(M1+M2)的大小與氣體分子量大致成反比,而M3的大小就要由行星的總質量來決定了。內行星會聚成長到半徑大於約2600公里後因撞擊會生成岩漿海,此時撞擊釋放出來的水會全部融入岩漿海中。source:作者提供

而筆者在 2014 年的論文中,則推算出行星的總質量至少要大於 8.06×1026 克才有可能抓獲氣態水分子,而火星因不具有像金星和地球的 R和 M3,質量只有 6.419×1026 克,所以火星從來就沒有夠大的質量或引力能抓獲氣態水分子成為它大氣的一員。如此日久天長,無論火星表面是有海洋還是冰,都不可能持久的,最終所有的水都會很快消失殆盡。

 

地球上的水從何而來

近年來,有些天文物理學者主張,地球的海洋是在地球成長固化後,由外太空的髒雪球(dirty snowball)撞擊地球而形成。此主張很難交代清楚為何金星是滴水不存的?又火星是否也有水?而水又去了那裡?

髒雪球不應該只會撞擊地球,當然,不可諱言,地球上有一小部分的水也極有可能是來自髒雪球。而火星上有水,這正好證明火星的水是與生俱來的(即來自原始固體微星),火星上的水不可能是在火星成長固化後,再由髒雪球等外物撞擊火星而來,因為髒雪球中的冰在撞擊火星後一定全會氣化成水分子,而火星的引力又抓不住它們,氣態水分子只能逃逸至外太空去。而且,如果火星的水是與生俱來的,那我們實在沒有太多理由相信地球上的水主要是由髒雪球撞擊地球而來。

髒雪球不應該只會撞擊地球。source:NASA

延伸閱讀

  1. Liu, L., Water in terrestrial planets and the Moon, Icarus, Vol. 74: 98-107, 1988.
  2. Liu, L., Critical masses for terrestrial planet atmospheric gas species and water in/on Mars ,Terr. Atmos. Ocean Sci., Vol.25: 703-707, 2014.

 

 

〈本文選自《科學月刊》2018年10月號〉

一個在數位時代中堅持紙本印刷的科普雜誌,

讓你在接收新知之餘,也能感受蘊藏在紙張間的科學能量。

 

 

 

 

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都是星星惹的禍之「疫」薄雲天

臺北天文館_96
・2022/01/26 ・5008字 ・閱讀時間約 10 分鐘
  • 文/歐陽亮|天文愛好者,中華科技史學會會員,曾獲 2001 年尊親天文獎第二等一行獎,擔任 2009 全球天文年特展解說員。

疫情最近席捲了地球上的人類,擾亂了日常生活的規律。在這個戶外活動驟減與無法出門觀星的時刻,宇宙彼端那些遙遠的星辰們,是否也會像近來野生動物的「生態大爆發」一樣,紛紛蜂擁而出、顯現特別活躍的異象呢?

如果對宇宙尺度有些概念的人,就會知道這當然不可能。地球並不是宇宙中心,星星們怎麼會在意並企圖影響微塵般的地球呢?只不過古人並沒有被現代科學衝擊過,所以直覺上理所當然會認為地球是最重要的,其他星星的一舉一動都在暗示或警告著自以為萬物之靈的人類。於是,天文學跟疾病就有了交集,不論東方世界或西方世界都是一樣。

幾百年前,西方的占星術竟然是提供流行病爆發預報的唯一途徑。表面上看起來,這種預報似乎很有科學精神:他們先列出過去疾病大流行時刻,再與當時的天象進行比較,企圖找出兩者關係。[1]曾經在全球肆虐的黑死病,是歷史上致死人數最多的流行病,當時的占星學者就曾找出彗星、日食、木星合土星、或火木土三星在同方位等徵兆預言了這次災難。然而這有點像是現在的疫情指揮中心竟依照天空異象來發佈防疫警戒一樣荒謬,而這些預言也無法幫助那些被病魔纏身的人們脫離苦海。[2]

至於在東方的古代,中國的占星術除了預言各種宮廷禍亂與兵災饑荒之外,也可用來預測大規模的流行病,古人的字典《說文解字》說:「疫,民皆疾也。」《字林》則寫:「疫,病流行也。」都以「疫」來稱呼流行病,不過「疫」其實包含了許多種傳染病或流行病,例如鼠疫、瘧疾、天花、霍亂、流感等,占星書並沒有依病症去明確細分。現在我們當然不會再將這些預測當真,不過仍可藉此觀察一下古人會把哪些天象視為疫病徵兆,並且猜猜看為什麼會有這些聯想。

首先來看歷代正史有關「疫」的占辭。《史記.天官書》寫著「亢宿:亢為疏廟,主疾…氐為天根,主疫」(圖 1),但到了《晉書》、《隋書》、《宋史》就變成「亢宿主疾疫」,疾已擴張到疫的範圍。不過雖說亢、氐兩宿主疾疫,但是也有許多其他星官跟疫病有關。若不計牛馬等動物的疫情,就有以下幾十種天象預兆[3](二十八宿僅寫宿名,如牛宿寫為牛,但南方七宿的星宿則寫為七星):

  1. 日暈在亢、觜
  2. 月入犯牛、鬼、南河、人星
  3. 月食在壁
  4. 月暈在氐、尾、奎、柳
  5. 土星入鬼、昴、五車
  6. 火星入犯斗、鬼、井、守胃
  7. 金星入氐、犯鬼、守觜
  8. 水星犯守尾、七星、張、軫
  9. 木星守婁、觜、參、犯軫
  10. 彗星在亢、氐、人、大陵
  11. 妖星、長星出現(可能指彗星)
  12. 白色客星犯六甲
  13. 客星犯人、大陵、老人、守南河
  14. 赤流星入天市垣、犯木星
  15. 大陵中星繁

其中只有「大陵中星繁」較容易理解,因為陵指陵墓,其星若繁盛明亮就不太吉利,相較於其他天象算是比較直觀的。不過依亮度變化來占測吉凶,容易被大氣影響而難以判斷、不易應用。例如關於歷代北斗的占驗記錄只有月暈、彗星與流星,並沒有亮度的實際運用。

圖 1. 《史記.天官書》之亢宿與氐宿記載(圖右),兩星宿皆位於角宿東方(圖左) 圖/歐陽亮繪

至於日暈、月暈之類的大氣現象,在古代也被視為天文異象的一種(圖 2)。還有白蒼赤黑等各色雲氣,同樣能拿來占卜,它們也許是指大氣層內的雲霧、也可能是指極光。

圖 2. 《宋史》日暈占辭(圖右)與日暈照片(圖左)。圖/歐陽亮攝於臺北,2020 年 7 月 18 日上午 10 點

再來看古代占星術之集大成作品《開元占經》,這本由唐朝天文官瞿曇悉達所主持編纂的術書,保留許多東周時期恆星觀測數據,可視為中國最早星表[4],其記錄的星官位置與星數,依然對現在的天文史研究有幫助。而書中不常被關注的占星部份,與疫有關的占辭更是遠多於正史。[5]其中與正史重覆者包括:月暈在柳、月入南河、亢宿有彗星、木星守婁觜參、火星守胃入鬼、土入守鬼昴舍五車、金星犯鬼守觜、水星犯守尾七星軫、大陵星明、赤流星入天市垣等。

《開元占經》比較特別的是敘述了三種無疫情的徵兆:「亢星明大,民無疾疫」、「王良附路星明…萬民無疫癘之殃」、「潢星明」。由於星占的主要功能是預警,所以報憂的天象必然比報喜的數量多。另外卷九十三的季節錯亂現象則可能是曆法出現誤差所造成。

相較之下,淵源於魏晉時期的《三家星官簿贊》,只有從官與疾病有關,其他皆未提及病疫。唐代的《敦煌寫本》Pelliot chinois 2512 則提到亢宿「主疾,動,人多病」,但氐宿「主傜伇,動者,人伇苦」,與正史所主之「疫」變成同音不同字了(圖 3)。[6]其他與疾病相關的只有三個。

圖 3. 《敦煌寫本》Pelliot chinois 2512 所寫的亢氐兩宿,圖/法國國家圖書館

天文要錄》是一本類似開元占經的古書,由唐初的李鳳編撰[7],收錄了一些開元占經沒有的占星家占辭,例如昆吾、唐昧、挺生、公連、紫辨、三靈紀、勑鳳符表、九州分野星圖等。此書殘抄本在日本,且其中錯字非常多。它與開元占經的共同點是繁蕪瑣碎且矛盾,因為都是集各家占辭而成。

此書關於疫的占辭也遠超過正史[8],與正史相似的天象包括:月暈尾、辰星犯守尾、歲星守參、月守凌鬼、熒惑入舍居守鬼、填星入留舍守鬼、太白入留舍鬼、辰星守凌七星、大陵星繁、月行南河中、客星守南河等。若再跟正史與《開元占經》都有的天象相比,交集頗多(包括辰星犯守尾與七星、歲星守參、熒惑入鬼、填星入鬼、太白入鬼、大陵星繁、月行南河中等),原因是由於兩書其實有部份來源相同。

值得注意的是,《開元占經》與《天文要錄》同時記載了行星跑到天津、螣蛇、王良、閣道、文昌、北斗等星官(圖 4),甚至還能進入紫微與北極(圖 5)!而在南方竟然也可犯軍市、野雞、天廟等非常遠的星官。這是不可能發生的天象,因為這些星官離黃道至少 30 度。[9]目前已知五大行星大約都在黃道上下 10 度以內運行,若考慮東周時期測量誤差最多可達 7 度[10],並放寬為 10 度,兩者相加也頂多 20 度。兩千年前若真的有五星脫離黃道面南北各 30 度的劇烈變動,那麼現在我們應該難以預測它們的軌道。

圖 4. 天津、螣蛇、王良、閣道等星官距離黃道(左下方)至少 30 度。圖/歐陽亮繪
圖 5. 文昌、北斗、紫微與北極距離黃道(右下方)至少 30 度。圖/歐陽亮繪

除此之外,這兩本占書還描述了更詭譎的現象,變色、變暗、變不見都不稀奇,有個「卷舌」星官竟然能夠變直或舒張(圖 6)!若有同好親眼看見,請先確認是否認錯星或酒精濃度偏高,若都沒有,請趕緊拍照並連絡天文館。另外書中還有北斗晝見、月犯北斗、月掩北斗,也是令人驚異但不會出現的天象。

圖 6. 《天文要錄》的卷舌占辭(圖右),同一占辭在《開元占經》則寫為:「卷舌星曲如舌,即吉;舌直,天下多口舌之害」。卷舌星官位於五車旁。圖/歐陽亮繪

乙巳占》是由唐代傳奇人物李淳風所撰,但沒有他另一本預言著作《推背圖》有名。此書「採摭英華,刪除繁偽」,比起同時代的《天文要錄》或是稍晚數十年的《開元占經》都精簡許多,因為李淳風對占星術的看法比較有個性,認為「多言屢中,非余所尊」,並不尊崇靈驗,而是將之視為一種「權宜時政,斟酌治綱,驗人事之是非,托神道以設教」的輔政措施。若「天降災祥以示其變」,就是在提醒帝王修德以禳之。他還用「唯爾學徒,幸勿膠柱」來指導後學者,不過唐宋之後各種因素讓古占星術逐漸沒落,反而是占卜個人命運的另一種占星術風行起來,這應該是李淳風預想不到的吧?

此書刪去許多不可能發生的凌犯[11],有關疫病者也較少,其中與正史相近的天象包括:月犯鬼、熒惑守胃、熒惑入鬼、太白入氐入鬼、彗星出氐。相同於前述兩書與正史交集者,只有熒惑入鬼、太白入鬼兩筆。這也許是由於鬼宿的字面意思所造成的聯想?

占星術是統計學嗎?

地球上常有疾病流行,天上也常出現古書所寫的疫病徵兆,兩者皆五花八門不可勝數,而正史與占書都記載過的「疫」象交集,就一定跟疫情有顯著關連嗎?其實,統計上常常有看似相關卻沒有因果關係的例子,若不問因果,只是強行找出相關性,有時候反而會被誤導得更嚴重。占星的原則是「凡天變,過度乃占[12],只對異象占卜,不占卜經常出現的,否則各種災變就會有難以置信的週期性,降低占星家自己的可信度。不過在某些週期尚未發現前,古人就先用來占卜了,例如《開元占經》蒐集的古籍資料中就有許多行星逆行或守於某宿,但對於現代人來說,只是再平常不過的現象罷了。

另外,占辭會依星官重要性而設定,因此遠離黃道的重要星官(如北極)也會有五星凌犯占辭,而在黃道附近但不重要的小星官就不太記載五星犯守了。這很明顯地說明,號稱是大數據資料庫的占星術並不是依靠曾經發生過而記錄下來的統計,而是占星家為了用異象占卜,憑空想像出五星犯紫微或北極等過度奇異的天象。科學最基本的原則是「符合觀測」,但是這些古書顯示,占星術並沒有達到這個標準。[13]書中許多聳人聽聞的災禍,就像現在網路上容易被轉傳的疫情謠言一樣,都是不知真假、難以查證、讓人看到的當下常震驚到「不能只有我看到」。你想要相信純粹想像而非統計出來的古書,還是不斷依觀測而修正的科學呢?

附註

  1. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,遼寧教育出版社,2005,頁 193。
  2. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,頁 131。
  3. 各正史之原文詳列於此連結,至於形容行星運動之「近犯合乘出入居處宿舍留守」等現象可參考盧央《中國古代星占學》,中國科學技術出版社,2007,頁 403~405。
  4. 潘鼐《中國恆星觀測史》,上海學林出版社,2009,頁 77。
  5. 《開元占經》相關占辭資料詳列於此連結
  6. 資料來源:法國國家圖書館
  7. 此書記錄了兩筆甘氏星官觀測數據,說明甘氏星表曾經存在。詳見潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 99。
  8. 天文要錄》相關占辭資料詳列於此連結
  9. 上述星官即使因歷代變遷,位置也未曾偏移超過 20 度以上。接近星官創始期的石氏星表雖然曾被質疑是後人在唐代才測得,但仍可比較唐宋之際星官改變,詳見《所謂名字,能流傳多久不變?古星象流傳千年的轉變─石氏星表與宋代星表之比較》。比較結果可發現,兩星表的星官變化不大,故不是星官變遷所造成的問題。
  10. 潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 32。
  11. 此書註解指出:「攝提非月行之所及」,因為攝提距離黃道 20 度,不過無法確定註解是否本人所作。《乙巳占》相關占辭資料詳列於此連結
  12. 語出司馬遷《史記.天官書》。
  13. 即使有部份占辭真的應驗,也可能是被人為處理過、或事後諸葛找出的對應關係,詳見趙貞《唐宋天文星占與帝王政治》,北京師範大學出版社,2016,頁 278。

延伸閱讀

 

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