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火星之水從哪來,擴散宇宙間不復還?

  • 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〉

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