为了续命，地球也曾“换心”

通过火星探测器的镜头，我们现在能一睹火星的容颜：一眼看去，火星就像死去的地球，高山、峡谷、平原、洼地，各种地形地貌都与地球十分相似，不同的是，火星地表上覆盖的不是绿色的植被，低洼处也没有蓝色的水体，满目所及都是红色、黄色的沙丘、砾石，荒无人烟。但是你知道吗?几十亿年前，火星与地球并无两样：当时的太阳温度和亮度远不及现在，由于大量温室气体的存在，处于适宜位置的地球和火星保住了许多液态水，具备了孕育生命的基本条件。

可是几十亿年后，两个星球走向了截然不同的两个方向，地球仍然生机勃勃，火星却已死去多时，是什么造就了它们不同的命运?

被太阳夺走的水分

有许多证据表明，火星曾经葆有许多水分：科学家在南极冰盖下发现了湖泊，地表的一系列盆地和陨石坑也有水冰的存在，尘埃可以帮助地表下的一些冰层融化，产生相对少量的液态水。类似干河床的地貌特征(通常呈U字形，与地球上的河床类似)遍布火星，这是早期火星上湖泊泛滥所造成的。此外，科学家还在火星上发现大量证据，证明远古水流导致了巨大海洋盆地的形成。如我们所知，这些水分在今日的火星地表上消失无踪，它们到哪里去了?对此，科学家有一些猜想。

其中，最广受认可的一种说法是火星磁场消失，以至于其大气层失去保护，被肆虐的太阳风一扫而空，液态的地表水也就难以保全了：蒸发的蒸发，冰冻的冰冻。此假设是否正确?美国宇航局开展了一项名为MAVEN的任务，希望找到这个问题的答案。

根据对火星矿物的研究，火星的早期大气主要成分为二氧化碳和二氧化硫，二氧化硫比二氧化碳更容易溶于水中，使火星早期海洋呈强酸性。酸涩的海洋难以吸收更多二氧化碳，因此大量二氧化碳就留在了火星大气中。太阳风虽然威力巨大，但二氧化碳分子拥有很大的重量，太阳风能否将它们加速到逃逸速度，让它们从此一去不复返呢?MAVEN任务的目标是测算太阳风剥离当前火星大气层的速度，进而推算火星历史上的大气层损耗速度。

根据MAVEN任务的研究，太阳风中快速移动的质子以每秒44.7万米(约为光速的0.15%)的速度撞击着火星，平均每秒能带走约100克火星大气。发生耀斑时，太阳风的强度超过正常水平，导致逃逸的大气重量增至10到20倍。如果大气层更为致密，同等强度的太阳风能够以更快的速度剥离大气。

在地球上，由于地磁场的存在，太阳风粒子会被吸附到两极上空，形成美丽的极光，而火星上没有磁场，这就意味着在星球上的任何地方都可以感受到太阳风暴，在这种情况下，只需1亿年就能让其大气层损耗殆尽。这个研究充分佐证了科学家的猜想：磁场的消失以及太阳风的肆虐，使得这颗原本宜居的星球最终沦为荒漠。

火星磁场去哪儿?

在火星变死星的这场变故中，一个原因至关重要：火星磁场的消失。那么，火星磁场为什么会消失呢?或者说，为什么地球磁场能够保留，火星磁场却消失了?

过去，科学家猜想，火星也曾有过与地球相似的磁场，但由于火星的直径只有地球的一半，地核的密度和个头也不及地球，随着核心热量的耗散，火星的“磁场发电机”逐渐停摆，最终导致了其磁场的消失。不过，最近一项研究表明，火星根本没能形成完整的“磁场发电机”，而地球的“磁场发电机”也差点因为组装“晚点”而陷入停摆。

首先让我们明确一下，“磁场发电机”是如何产生覆盖整个星球的磁场的。我们知道，电磁可以相互转化，变化的电场可以激发磁场，变化的磁场又可以反过来产生电场，如此往复不绝，而地球的内核本质就是一台巨大的“发电机”。与其他行星一样，地球是由太阳形成后剩余的气体和尘埃吸积而成的。在地球形成过程中，密度较大的铁元素向最中心的区域沉淀，密度小一些的硅酸盐沉积在地表，密度最轻的气体包裹在最外层。由于重力的挤压，地球的核心具有极高的热量，以至于将铁原子都熔化成了铁水，不断流动的铁水形成了一股稳定的电流，闭环的电场就激发了磁场——地磁场出现了。

如果地磁场的机制确实如此，那么这个磁场也早该消失了：因为地核的温度太高，热运动会让铁原子(类似一个个小磁针)的指向杂乱无章，无法维持永久磁性——每隔一段时间，磁场就会出现一次“减弱-消失-反转”的循环。而反转次数的增加也同时损耗着“发电机”的寿命，科学家发现，约5.65亿年前地球“发电机”就处于崩溃的边缘，那时地磁场强度出现了最低值——仅约相当于现今强度的10%。如果磁场强度继续减弱下去，地球就会步上火星的后尘。

侥幸留存的地磁场

好在这种低强度磁场的日子没持续多久，大约1500万年后，地球磁场就神奇地恢复了：究其原因，大概是地球固态内核的及时出现补上了地球“发电机”缺失的一环。随着地球逐渐冷却，外核中熔融的液态铁会在内核边界处缓慢结晶，形成固态内核，同时释放出热量和溶解于其中的轻元素。这些释放的热量和轻元素的浮力作用为外核中液态铁的对流提供了源源不断的驱动力，使得液态铁得以继续流动，磁场也得以维持。

另一方面，固态内核的出现也减慢了磁场反转的速度，从而延长了“发电机”的寿命。犹如在一锅沸汤中倒入一瓢冷水，冷水必然会减慢沸汤中原有粒子的运动速度，固态内核减慢了液态铁的流动速度，导致地球磁场在更加漫长的时间尺度上缓慢衰减，磁极反转的出现也变得更加稀少和随机。

美国罗彻斯特大学的研究团队通过分析长石晶体中的磁场，确定了固态地核的诞生时间——5.5 亿年前。在此之前的1500万年前，地球磁场几乎崩溃，而在此之后，地球磁场又恢复了原本的强度。

火星的例子则从反面证明，如果没有固态核心的存在，仅由熔融铁水组成的“发电机”是无法维持星球磁场的长期稳定存在的。

地球和地球生命的存在真是充满着各种侥幸和惊喜：如果数亿年前没有发生那台恰逢其会的“换心手术”，今天的地球也将成为另一个火星。