火星上的水都去哪里了

文/飞碟探索




任何一个物体的速度只要大于行星的逃逸速度就会逃向宇宙空间。但气体分子不同于火箭，其速度大于逃逸速度仅是逃离地球的必要条件。由于行星表面的气体分子密度较大，分子之间碰撞频率高，气体分子会在碰撞过程中交换动量、改变速度，就算它们的速度大于行星的逃逸速度，也逃不出去。气体分子逃出行星大气的必要且充分条件是：气体分子的速度大于逃逸速度，同时该分子所在界面的大气非常稀薄，气体分子间的平均碰撞距离（平均自由程）很长，使得气体分子在和其他气体分子发生碰撞前已经逃出了大气层。我们把此界面定义为逃逸界面，给出了数学表达式，推导出了行星大气逃逸方程，定义了大气逃逸率，其倒数即为逃逸寿命。为提高理论计算精度，把行星大气层按高度分为数个等温区叠加，推导出了行星大气逃逸率或逃逸寿命的计算公式。


             根据计算，地球大气的寿命为4. 2×10^94年， 远远大于地球的宇宙年龄4.5×10^9年，人类是非常幸运的。金星的大气压力为9 0千克/ 平方厘米，是地球大气压力的90倍，寿命约为7.7×10^77年，远大于金星的年龄。火星大气中的二氧化碳、氮气、氧气的寿命均大于火星年龄，唯有水蒸气的寿命仅为2.2×10^8年，是火星年龄的1/20，所以火星表面没有液态水，但存在河道和湖泊的残迹。


             进一步分析发现，火星上的液态水先蒸发成水蒸气，然后逃逸出大气层。逃逸量的大小和蒸发量成正比，而水冰的升华速率比液态水小许多。根据水冰逃逸方程，若火星表面温度低于180开，火星表面的水冰可以保存到现在。火星南北极冬季的大气温度低于150开，中纬度冬季大气温度也在190开以下，所以那里还有少量的冰存在。
月球大气非常稀薄，大气压力为10^-10帕， 处于极高真空状态。月球质量约为地球的1/81，约束不住大气分子，而白天大气温度又很高，达到400开，致使月球大气不断逃逸。现在月球表面的大气全是太阳风的成分，如氢、氦、氖和氩。




             近年来，美国、俄罗斯相继提出建立月球基地的计划，为开发月球资源和登陆火星做准备。月球有水源吗？行星大气逃逸理论可以回答这一问题。月球表面从来没有水，但有水冰保存到现在。根据行星大气逃逸理论，月球上的水冰只能在温度低于100开的环境中存在。月球表面有没有长期持续处于100开以下的热环境存在？月球表面大气非常稀薄，太阳光直接照射到月球表面，热流密度为1300瓦/ 平方米。地球大气层对太阳的平均反射率为36％～42％.
             地球也会向月球发出红外辐射，热流密度约为200瓦/ 平方米。月球水冰要远离这些热源才能保存下来。满足这种条件的地方只有环形山的阴面下部，上大下小的圆环形的深坑底部，最好在常年平均温度最低的两极附近。2011年，美国航空航天局利用报废的“半人马座”火箭撞击了月球南极附近环形山下深寒的凯布斯坑，在撞击后的尘埃中发现了丰富的水冰，含量在数十千克量级。由于月球没有大气层保护，陨石直接坠入月球表面，在月球南北极附近形成了大量深寒的类凯布斯坑，坑中储存着大量的水冰。美国、印度的科学家发现，月球北极至少有6亿吨水冰。


             月砾中含有丰富的氦3，它是理想的清洁能源，是热核反应的原料。美国人分析了“阿波罗”登月舱带回的月砾，认为月球中氦3的总量约为100万～500万吨。如能收集、运回月球上的氦3，人类将得到一种持续、清洁、安全和高效的热核聚变发电燃料，这是人类梦寐以求的，激励着人们探月的热情。氦3来自太阳风，由于地球有地磁场及浓密的大气，太阳风被磁场俘获或由大气散射而逃逸，不能到达地球表面。月球表面没有大气层，没有磁场，太阳风能直接注入月砾。月砾吸收饱和后，太阳风中的粒子就回到月球大气中了。这些太阳风粒子和月球自身的放射性物质，构成了月球的残余大气。根据月球残余大气的压强，我们计算出月砾中氦3的储量为90万～350万吨，大致符合美国人的估值。根据我们的理论，月球上氦3的储量是永远不会枯竭的，太阳可以不断地补充。目前人类尚不完全具备收集、储存月球上的氦3并将其运回地球的能力。