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火星可能两面性格，其核心亦如此
红色星球低洼的北部平原和崎岖的南部高地的全球地理特征似乎有着惊人的深层根源，对火星古代宜居性具有深远影响。
来源:科学美国人火星是一个充满许多谜团的世界，一个冰冻干燥的沙漠星球，在亿万年前曾经更温暖、更湿润。它的水都去哪儿了？它宜居了多长时间？它曾经孕育过生命吗？
但这个红色星球最明显的谜团——从轨道上清晰可见——是其两半球之间的显著差异。火星的北半球是一个平滑的低洼平原，而南半球高出数公里且崎岖不平、布满陨石坑。“地球上最接近的类比是大陆与海底之间的差异，如果没有海洋的话，”亚利桑那大学月球与行星实验室的行星科学家Alexander Berne说。在一项新的《自然》研究中，Berne和他的同事认为该星球的两面性不仅仅是表面现象，一直延伸到其核心。
被称为火星地壳二分性，这个半球之间的边界是火星最大的单一特征，两侧地壳的平均厚度相差约25公里。科学家们对其起源争论了半个多世纪。Berne和他的同事通过测量火星的内部温度来帮助解决这个问题，得出了有趣的结果：在南半球高地之下，地幔似乎比北半球平原下的地幔温度高200至400摄氏度。
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关于火星深部内部几乎已知的一切都来自NASA InSight着陆器上的仪器探测到的地震波，该着陆器于2018年至2022年在北部低地运行。然而，一个地点的一个站无法区分南北，因此大多数后续的火星内部模型都假设星球是均匀的，在任何深度都有相同的岩石和相同的温度，环绕一周。Berne的团队通过估计轨道上的微小偏差来推断内部特征，从而克服了这一点。
火星沿绕太阳的偏心轨道运行，其轴倾斜，因此太阳对该星球的引力在687个火星日的年份中会发生变化。“这产生了一个潮汐力，潮汐力在一年中改变了火星的形状，”Berne说。这种弯曲是微小的，但它重新排列了火星的引力场，足以改变轨道航天器的运动。
为了分离该引力信号，该团队使用一种称为潮汐断层扫描的技术重新处理了来自三个火星轨道器的16年无线电跟踪数据，该技术以前用于绘制地球和月球深处的图，但从未用于火星。“如果火星地幔结构异常，这个信号将与它具有对称内部时不同，”Berne解释说。结果显示，读数与对称情景的偏差高达300%。根据行星弯曲的程度，Berne的团队计算出火星地幔的刚度在半球之间的变化应超过20%，地幔在北部较硬，南部较软。
较软的岩石通常也较温暖。对半球之间20%变化的简单解释将意味着超过1,000摄氏度的温差——这是不可能的，Berne指出，因为“整个南半球都会熔化，这不是我们观察到的。”但如果行星的潮汐弯曲更渐进，在其年份中展开，这可能会产生更合理的南北温差，仅为几百摄氏度。“这是一种随时间缓慢变化的变形，”Berne解释说。
火星南部地幔显著更暖的观点并非全新：2024年另一项基于InSight数据的“火星地震”研究也表明，潜在的热量可能是南部地震能量似乎比北部消散更快的原因。但当Berne的团队进行数值模拟以重建较硬和较软岩石之间的分界线时，他们发现了一些真正意想不到的东西。
根据他们的模型，分界线直接沿着地表二分性的下方延伸，甚至跟随该边界向北或向南偏移的地方。“这是一个令人愉快的惊喜，这也是导致撰写这篇论文的原因，”Berne说。
几十年来，理论家们为火星地壳二分性的起源提出了三种解释：一次巨大的撞击挖掘出北部低地，从下方加热南部地幔的对流，或厚厚的地壳充当来自行星内部放射性热量的隔热毯。然而，Berne认为这些可能性并非相互排斥。
“如果你有热异常，它会很快消散，”Berne谈到撞击情景时说。“如果只发生了撞击，我们不会期望今天在地幔中仍有它。”据他说，某些过程一定仍在火星地下起作用，无论是隔热毯效应、对流还是两者兼有。Berne认为，撞击很可能就是引发不均匀加热的原因，挖掘出北部并留下此后一直保持热量的厚厚南部地壳。
如果那次撞击确实发生过，它横跨北半球挖掘出的巨大盆地将成为任何火星海洋的海底。此外，观测到的南半球地壳强磁化也可能追溯到那个事件；这可能是火星全球磁场的遗迹，该磁场曾保护行星大气层免受太阳风的侵袭。即使不考虑这种“撞击”情景，越来越合理的是，行星深部的二分性在某种程度上为火星的早期宜居性设定了条件。揭示更多细节甚至可以揭示我们今天应该在行星上寻找古代生物痕迹的位置——当然，前提是所有这些热量不只是Berne团队建模的产物。
“这是一种获取火星内部结构信息的有趣方法，”苏黎世联邦理工学院行星科学家Amir Khan说，他没有参与该研究。“我认为这篇论文最重要的（部分）是观测结果。接下来的内容不太相关，因为它基于一系列的建模假设。”根据Khan的说法，我们不能确定热异常解释是解释观测数据的唯一可能方式。
“仍有问题需要回答，”圣路易斯华盛顿大学行星科学家Paul Byrne说，他也没有参与该研究。例如，Byrne对火星最大的火山省塔西斯位于二分性边缘而不是南部高地感到困惑，而该研究的发现表明南部高地下方的地幔应该更热。
下一步，Berne说，是通过着陆仪器并直接从多个地点测量火星温度来寻找支持或反对热异常的更多证据。不过，他承认，他使用的潮汐断层扫描方法可能比研究实际发现更有影响力。“在某种程度上，这篇论文是对该方法的一种宣传，”Berne说。他认为，该方法完全在轨道上运行，因此提供了一种了解星球内部的方法，如水星、土星的喷泉卫星土卫二甚至冥王星，这些星球在近期内不会有着陆器到达。
“我们总是抱怨航天机构预算巨大。这是一种使其更便宜并获得你想要结果的80%的方法，”Berne说。