大家好，我是科学羊🐑～
我们从太空中眺望地球，这颗美丽的蓝色星球上生机勃勃，有辽阔的海洋和广袤的大陆，天空晴朗或多云，绿色植物在阳光下光合作用，生命的活力无处不在。
然而，当我们望向火星时，映入眼帘的是一个安静而荒凉的红色世界，星球表面覆盖着铁锈般的红土，只有稀薄的大气层，没有液态水流淌的痕迹，只有冰封的水源。
在宇宙的冶炼炉中，这两个星球最初可能由类似的原子物质构成，但它们的命运在亿万年前分道扬镳。地球逐渐发展成适合生命生存的摇篮，而火星在30多亿年前失去了它的液态水，逐渐成为如今的荒凉之地。
那么，是什么导致了地球和火星这两颗相似的星球，最终走向了截然不同的结局？标准解释认为，这与火星较小的体积和快速冷却的核心有关。
01 火星失去磁场的命运
火星体积较小，这意味着它从核心向外散发热量的速度比地球更快。
因此，火星的核心比地球的核心冷却得更早，导致火星内部的发电机制在较短的时间内衰退，而地球的发电机则一直持续运转。
由于全球性磁场的消失，火星失去了对大气层的保护，使得太阳风和高能粒子能够轻松剥离火星大气层。
这也是为什么今天我们看到的火星上只剩下稀薄的大气，而地球仍然被强大的磁场所保护，保持了稳定的大气环境。
这个关于火星的演化故事，在过去几十年中被广泛接受，成为解释行星演化的重要理论。然而，随着人类对系外行星系统的进一步探索，这一理论可能需要重新审视。
地球(右)有一个强大的磁场来保护它免受太阳风的影响。像火星(左)或月球这样的星球则不然，它们经常受到太阳发出的高能粒子的撞击，这些高能粒子继续从这些星球上剥离空气中的粒子。太阳风从太阳向外以球形辐射，使太阳系中的每个星球都面临着大气被剥离的危险。这在过去发生在火星上，理论上可能发生在所有有足够太阳活动的行星上。(图片来源: NASA/GSFC)
02 行星内部热量的流失速度
行星形成之初，由于行星引力收缩和内部放射性物质的衰变，内部产生了大量的热量。
随着时间推移，行星逐渐冷却，但冷却的速度与其体积大小有着密切的关系。
行星越小，其热量流失速度越快，冷却的速度也更快。
核心如果是液态，且具有旋转、对流和导电的特性，便能通过发电机机制产生一个持续的磁场。这一机制驱动着地球的磁场，也曾在火星上起过作用。
然而，火星体积过小，冷却过快，磁场迅速消失，失去磁场的保护层后，太阳风就开始逐步剥离火星的大气层。这种“被剥离”的过程让火星从一个曾经湿润、海洋丰富的星球，慢慢转变为如今干燥、荒芜的红色星球。
科学家们通过火星探测器的研究发现，在火星表面上还保留着曾经存在水的痕迹，比如河床、沉积岩、弯曲的水流遗迹等等。但今天的火星已失去足够的气压，表面无法再支撑液态水的存在。
03 磁场：大气的守护者？
地球大气层之所以能长久不被剥离，归功于其强大的磁场。
地球的磁场就像一道保护屏障，阻挡着太阳风粒子的大规模侵袭，只有少部分带电粒子会沿着地球磁场到达两极，从而产生极光。
科学家认为，正是地球磁场的存在，使得地球的大气层得以保存，并为生命的繁衍生息提供了理想的环境。
然而，在火星上，情况却完全不同。缺少磁场保护的火星，其大气层在几十亿年里不断被太阳风削弱。
科学家推测，火星失去大气层的过程可能持续了数亿年，最终导致液态水无法在表面存在。这一理论成为解释火星演化的主流思维，而美国宇航局的MAVEN任务更是专门用来研究火星大气层逃逸的速度。
研究表明，火星每秒钟损失0.7到2.1千克的大气质量，这种损失主要归因于太阳风的剥离。
04 地球、金星和火星的对比
但令人困惑的是，地球、金星和火星的大气逃逸速度竟然极为相似，尽管三者拥有不同的环境与磁场。
这一发现促使科学家们进一步思考磁场对于行星大气保护的真实作用。研究发现，行星大气逃逸的速度不仅仅与磁场有关，而是受一系列复杂的因素影响，包括温度、能量分布、太阳风作用等。
比如，在金星上，尽管没有强大的磁场保护，但由于金星的大气层较厚且仍在进行火山活动，不断释放气体填补大气流失，使得金星的大气层得以保留。
对比之下，火星则因体积小、质量低，在磁场消失后，无法抵抗太阳风的侵蚀，逐渐变成了“赤裸”的星球。
05 磁场真的决定了大气的逃逸吗？
2018年，发表在《天文与天体物理学报》上的一篇论文，对磁场在大气逃逸中的作用提出了挑战。
研究指出，大气逃逸不仅仅依赖于磁场的保护，还与行星的引力、粒子运动速度和太阳风的影响等多种因素密切相关。
例如，对于行星的极地区域，强磁场反而会形成“极帽效应”，加速轻质气体的逃逸。这意味着在某些情况下，强磁场可能导致更大的大气流失。
这张图表显示了像金星、地球和火星这样的行星的氢(H)和氧(O)的逃逸率，依赖于磁化(x 轴)。HDR 和 LDR 曲线代表了火星上游离重组的高低估计值。请注意，在非常低或非常高的磁化，逃逸率是小于中间值。(来源: H. Gunell 等人，天文与天体物理学报，2018)
科学家通过建模分析发现，对于磁化程度较高的行星，极帽和尖端区域的逃逸速率可能会高于中等磁化水平。
也就是说，行星的磁化程度并不是影响大气流失的唯一决定因素。相比磁场强度，行星的质量大小和与太阳的距离对其是否能保留大气层有更大的影响。
也正因如此，火星在失去磁场后迅速流失了大气，而金星则因厚重的大气和持续的火山活动而未被完全剥离。
06 火星失去大气的真正原因
如今，越来越多的科学证据表明，火星失去大气的原因可能不仅仅是因为磁场的缺失，而是因为其较小的体积和低质量使它更难保留大气。
由于火星体积小、引力低，在太阳风作用下，即便有磁场保护，仍然很难长期留住大气层。也就是说，火星的“死亡”可能是它本身大小所致，而不是磁场缺失的直接结果。
这个新的认识给我们探索系外行星带来了新的视角。在寻找适合生命的星球时，磁场的存在可能不如我们想象的重要。
只要行星拥有充实但不过厚的大气层，并且距离母恒星适当，生命即便在没有强磁场的条件下，仍然有可能存在。
科学家们不再单纯将行星磁场作为是否适合生命的必要条件，而是将行星体积、距离和大气厚度等多种因素一并纳入考量。
总结：
火星的经历提醒我们，在探索宇宙的过程中，行星生命的可能性不应该仅仅建立在磁场是否存在之上。
