如何研究地球？去其他天体！

如何了解地球的过去、预测地球的未来，按照一般的思路，过去我们应该从地层中寻找，未来应该通过模型和计算机模拟。但人类目前挖的最深的探井不过 12 千米，在地球 6371 千米的半径面前不值一提。即使是通过地震波与岩浆等手段也只能得到有限的信息，如果想要获得更丰富的信息，那就要付出人类重开的代价。对未来的预测也存在问题，最大的问题是，现实世界是一个混沌世界，纵然我们现在的超级计算机已经非常发达，但是哪怕预测天气仍然心有余而力不足，何况是整个未来呢？

历史与现实告诉我们，在固有赛道内卷往往是没有出路的，因此，科学家们选择走出去，通过其他天体研究地球。这靠谱吗？

对地球发出警示的金星

20 世纪 60 年代之前，人们曾经认为金星的环境像地球一样充满植被和森林。同时因为金星离太阳比地球近，认为金星应该还是郁郁葱葱的热带森林，那么金星上很有可能有像地球一样的生物。既然地球科技已经如此发达了，金星也有可能这么发达。因此，彼时的美国出现了许多设想金星人入侵地球的电影，如 1954 年的《Target Earth》（《目标地球》）、1956 年的《It Conquered the World 》（《金星人征服地球》）以及 1957 年的《20 Million Miles to Earth》（《两千万英里到地球》）等。与此同时，社会上也有许多人自称自己是“金星人”，但是这些“金星人”很少有 60 年代之后到来地球的。

1962 年，美国水手 2 号探测器在飞越金星之后终于探测到了金星大气层的温度约为 500℃。这么高的温度，显然不可能有生命生存，更何况是金星人了。到了 1967 年，苏联金星 4 号的下降舱成为进入金星大气层第一个地球探测器，通过测量科学家发现，金星的大气中有 90-95% 的成分为二氧化碳，7% 的成分为氮气，至于氧气只有不到 1%，在距离地面 26 千米时，金星的大气压已经增加到了 22 个标准大气压 ^[2]。显然，金星就是被一层又浓又厚的二氧化碳包裹的高温行星，这使得登陆金星并进行科考的难度大大增加。

直到 1970 年，人类才将第一个探测器 —— 金星 7 号 —— 软着陆到金星表面，并传回了 23 分钟微弱的信号。1975 年，人类终于通过金星 10 号得到了第一张金星表面的照片。照片显示，金星表面荒凉且贫瘠，石头没有被明显侵蚀的痕迹，说明金星表面很久之前便没有液态水的存在。

500℃的高温让金星超越水星（427℃），成为太阳系最为炙热的星球。显然，除了太阳照射之外，还有其他因素促成了金星的高温，二氧化碳造成的极端温室效应成为了这一问题的答案。20 世纪 80 年代，在全球变暖研究的热潮中，金星研究为归因地球气候变化以及预测全球变暖提供了重要的例证。

但地球无论怎样变化，也不会到达 95% 二氧化碳的极端情况，一些古气候研究也发现地球历史上也有过剧烈的温度变动，但是都通过负反馈机制得到了较好的调节，这就对以金星为代表的气候变化警告提出了挑战。气候模型的建立对这些挑战予以了回应，在气候模型中，红外通量-温度反馈是一对负反馈，也就是当地球温度上升的话，大气层顶端向宇宙射出的红外通量也会增加，从而让地球温度下降。但是当大气中水汽含量充足时，这种关系就会被打破，稳定的温室效应也就成为了失控的温室效应。

如何证明这种失控理论在真实世界会发生呢？金星又提供了有力的例证。如果金星起初有大量的水，但是温度升高导致水汽进入大气层，水分子就会被光分解为氢气与氧气，氢气就会向太空中逃逸。最终的结果不仅是整个星球十分干燥，而且因为氘比氢重，大量氢逃逸之后，氘氢的比例会严重偏高。金星上的情况确实如此，其氘氢比例比地球海洋高出 150 倍 ^[4]。显然，失控的温室效应假设是正确的，地球气候有着自己的临界点，这就是我们今天熟悉的《巴黎协定》所设立的温度界限。

行星科学：反向探测地球

对金星的探索只是整个行星科学探索中的一部分，相比于金星来说，人类对月球的了解更为充分。

从 1969 年开始，阿波罗计划带回了上百千克的月壤，通过对这些月壤的分析，科学家们发现月球与地球杨同位素的比率几乎一致 ^[3]，钛同位素的比例也非常一致 ^[4]，这就引发了关于月球起源的讨论。

在各种关于月球起源的假说中，占据主导地位的是大碰撞假说。在约 45 亿年前，地球与一个大小类似于火星的天体相撞，这场巨大的碰撞导致了月球的形成没，这颗行星被命名为“忒伊亚”。显然，月壤的分析非常有利于大碰撞假说，超级计算机也对其做出了有效模拟。但是这就引发了一个问题，大碰撞之后“忒伊亚”必然会有一部分残骸留在地球内部，那么这部分在哪呢？近日，美国亚利桑那州立大学和加州理工学院的袁迁博士及其合作者就在《Nature》上发表研究，认为 LLSVP（大型低波速域）就很有可能是“忒伊亚”的残骸 ^[5]。LLSVP（大型低波速域）是地幔中的异类物质，其来源与形成过程一直是个谜，如果真的是大碰撞的残骸，那么大碰撞假说几乎可以被确立为解释月球起源的最终理论。

阿波罗计划收集的月壤另外一个发现，便是月壤年龄多集中在 39 亿年前后 ^[7]。由于月球表面遭受过大量的陨石撞击，况且阿波罗计划也刻意收集这些撞击熔岩，因此在 39 亿年前月球遭受过剧烈且集中的撞击，科学家称之为晚期大轰炸（LHB)。在这种情况下，地球也难以独善其身，大量星体将冷却的地球重新撞击为熔融状态，这就解释了为什么地球上大部分古老的岩石只能追溯到 38 亿年前，而地球的冷却又恰好需要 1 亿年 ^[8]。不过，一些锆石的出现对晚期大轰炸（LHB) 假说提出了质疑 ^[9]，虽然维护者认为 LHB 并非熔融了地球的全部地壳，但这明显需要进一步的探索了。

月球研究在解决地壳和地幔的问题上取得了成效，但如果要研究地核，月球的作用就比较微弱了。这时候，比月球小很多的小行星就发挥了作用。现代地球物理学家认为，地球形成早期的熔融状态使得较重铁镍的元素沉入地球内部形成地核，较轻的硅元素上升形成地幔与地壳。与此同时，许多小行星经历了与地球一样的熔融过程，毕竟太阳系早期可以用天体大乱斗形容。这样，只要在众多与地球类似的小行星中寻找那些外层被撞击剥离的小行星就好了。就这样，灵神星（16 Psyche）因为富有铁与镍 ^[11] 被选为这个幸运儿，显然，这颗小行星已经将自己的地核暴露在面前。

北京时间 2023 年 10 月 13 日，灵神号探测器发射升空，目的在于解开行星如何形成和演化的秘密。灵神号预计于 2029 年 8 月抵达灵神星，开启对灵神星地核的观测，某种程度上相当于对地核的观测，因此科学家期望能够通过灵神星展示地球和其他类地行星的核心是如何形成的 ^[12]。如果灵神星也有微弱的磁场的话，那么铁镍地核生成地球磁场的理论也就可以证实了。当然，这一切建立在灵神星与我们设想的一样。

显然，从其他天体获取的信息可以为我们提供关于地球自身的独特视角。事实上，除了上文已经提到的推测地球形成与演变以及未来预测外，研究其他天体，还能帮助科学家们探索不同的物理和化学环境，从而拓展我们对生命的理解。这也是今天的中国发力行星科学与深空探测的原因之一，先进的科学不仅仅在眼前，也在遥远的地方与未来

参考文献

• [1]Schefter J. The race: the complete true story of how America beat Russia to the Moon[M]. Anchor, 2010.

• [2]Harvey B. Russian planetary exploration: history, development, legacy and prospects[M]. Springer Science & Business Media, 2007.

• [3] 胡晓明，蔡鸣，杨崧.大气温度反馈的机理及其对全球增暖的贡献 [J]. Chinese Science Bulletin, 2005, 50: 269.

• [4]Kump L R, Kasting J F, Crane R G. The earth system[M]. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2004.

• [5]Wiechert U, Halliday A N, Lee D C, et al. Oxygen isotopes and the Moon-forming giant impact[J]. Science, 2001, 294(5541): 345-348.

• [6]Zhang J, Dauphas N, Davis A M, et al. The proto-Earth as a significant source of lunar material[J]. Nature Geoscience, 2012, 5(4): 251-255.

• [7]Yuan Q, Li M, Desch S J, et al. Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies[J]. Nature, 2023, 623(7985): 95-99.

• [8]Cottaar S, Lekic V. Morphology of seismically slow lower-mantle structures[J]. Geophysical Supplements to the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2016, 207(2): 1122-1136.

• [9]Papanastassiou D A, Wasserburg G J. RbSr ages of igneous rocks from the Apollo 14 mission and the age of the Fra Mauro formation[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1971, 12(1): 36-48.

• [10]Mojzsis S J. Lithosphere-Hydrosphere Interactions on the Hadean (> 4 Ga) Earth[C]//AGU Fall Meeting Abstracts. 2001, 2001: U52A-0009.

• [11]Zellner N E B. Cataclysm no more: new views on the timing and delivery of lunar impactors[J]. Origins of Life and Evolution of Biospheres, 2017, 47: 261-280.

• [12]Ostro S J. Radar observations of asteroids and comets[J]. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1985, 97(596): 877.

本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：行思

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