火星磁场消失“惨案”，全赖自己有颗“硬核”的心？

在太阳系的行星家族中，火星始终是最具传奇色彩的成员之一。这个红色星球曾拥有与地球相似的温暖气候和广阔海洋，却在数十亿年间演变成干燥荒芜的沙漠世界。这一切究竟是如何发生的呢？科学家们一直认为火星磁场的消失是其中重要原因之一。

近期，中国科学家通过美国航天局“洞察”号火星探测器传回的地震数据，首次证实这颗红色星球拥有固态内核，这一发现或许就像找到了一把钥匙，有望解锁火星磁场消失、地质活动停滞的深层秘密。

神秘消失的 “磁盾”

如果能穿越回 40 亿年前的火星，你会看到一个截然不同的世界：广阔的海洋倒映着蓝天，密布的火山还在喷吐着岩浆。那时候的火星还和地球一样，拥有一个全球性的磁场，它就像一个看不见的巨型盾牌，抵御太阳风中高能带电粒子的侵袭，呵护着火星。

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火星古海洋艺术想象图（来源：University of Colorado）

然而，30 多亿年前，这层磁盾突然 “失灵” 了。火星全球磁场神秘消失，太阳风如同脱缰的野马长驱直入，无情地剥离宝贵的大气。渐渐地，“泄了气”的火星发生了翻天覆地的变化，表面的液态水蒸发殆尽，海洋干涸成荒漠，温暖湿润的气候逆转为寒冷干燥的环境。直到今天，火星大气压强仅为地球的 1%，平均温度低至 - 60℃，生命的宜居性无从谈起。

火星磁场为何会消失？这个谜题始终困扰着科学家。通常认为，行星磁场的产生源自于行星核心的 “发电机效应”。地球之所以能维持稳定的磁场，是因为固态的地核外层是液态的铁镍合金，这些熔融金属在地球自转和对流运动中产生电流，进而形成磁场。那么火星的核心发生了什么，才让这台 “磁场发电机” 戛然而止？

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地核“发电机效应”示意图。地球外 核由熔融的铁、镍等金属组成，对流产生感应电流，在科里奥利效应作用下形成复杂的旋涡状结构，电流再产生磁场。（来源 ：网络）

此前的研究通过火星引力场和地震数据推测，火星核心半径约 1800 公里（相当于火星半径的一半），且至少部分处于液态。但核心是否存在固态内核，以及内核的状态如何影响磁场演化，始终是未解之谜。

倾听火星的“心跳”

。它就像一台 “听诊器”，通过捕捉“火星心跳”的细微杂音来判断“火星心脏”的结构。在运行的 4 年时间里，它记录了 23 次显著的火星地震，其中一些低频地震波穿过火星内部，携带了核心结构的关键信息。

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“洞察”号的科学载荷（来源：NASA/ JPL-Caltech ）

中国科研团队对这些地震数据进行了细致分析，他们发现了两种特殊的地震波：一种是穿过核心最深处的地震波（深核过渡相 PKKP 波），另一种是在内核边界进行反射的地震波（内核边界反射相 PKiKP 波）。这两种地震波的传播速度和路径，清晰地揭示了火星核心存在一个固态的 “内核”。

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两种火星地震相的路径（来源： Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Nature 645, 67–72, 2025）

通过精确计算，科学家确定这个固态内核的半径约为 613 ±67 公里，相当于火星半径的 1/5，火星核心总半径的 1/3。更令人惊讶的是，当地震波穿过内核边界时，纵波速度突然跃升了 32%，这种剧烈的速度变化只有固态物质才能解释——就像声波在固体中的传播速度显著快于在水中的传播速度。

这一发现刷新了我们对火星内部结构的认知。原来火星和地球一样，拥有 “固态内核 - 液态外核 - 地幔 - 地壳” 的分层结构，堪称 “缩小版地球”。地球内核占整个地核约 55%（半径比），而火星固态内核占整个核心的 34%，比例上也不算差得很远。这种结构上的相似性，或许在暗示太阳系类地行星可能有着相似的形成和演化机制。

内核结晶的“魔法”

火星固态内核的发现，也直接证明了其核心正在经历剧烈的结晶过程。打个比方，这个过程就像一锅慢慢冷却的糖水：当温度降低到一定程度，糖会从溶液中析出，形成固态的糖晶体，那么剩余的液体则变得更稀薄。火星核心的结晶过程与之类似，只是溶质换成了铁、镍和氧、硫等轻元素。

在高温高压的核心环境中，更重的铁镍合金首先开始结晶，形成行星的固态内核。较轻的氧、硫等元素则留在外层，形成液态的外核。这种物质分异产生了两个重要结果：一是内核边界会出现显著的密度和速度的跳变，这与地震波观测结果完全吻合；二是轻元素在外核的富集改变了液体的密度和黏度，影响了外核的流动。

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火星核心与地球核心对比 （来源： Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Nature 645, 67–72, 2025）

另外，测量数据显示，火星内核的密度明显低于纯铁镍合金的密度，说明其中含有大量轻元素——推测氧的含量可能达到 6.7-9.0%，硫的含量约 12-16%，还有少量碳。这些轻元素就像溶液里的“杂质”，降低了内核的熔点，使得结晶过程能在较低温度下缓慢进行。

结晶过程还会释放大量的热量，这些热量推动外核的液态金属流动的驱动力量，就像给水壶底部加热，会让壶里的水产生对流循环。这种流动是维持 “磁场发电机” 运转的关键。

磁场消失的“悲剧”

火星固态内核的发现，终于为磁场消失之谜提供了合理的解释。这颗红色星球的 “磁场发电机” 并非突然宕机，而是随着核心结晶过程的减缓而逐渐 “熄火” 的。

早期的火星核心完全处于熔融状态，那时的外核温度高、对流强，“发电机效应” 显著，产生了强大的全球磁场。但随着时间推移，核心开始冷却，铁镍合金逐渐结晶形成固态内核。结晶过程释放的热量也一度维持着外核的对流，事情到这里跟地球差不多。但是，内核长大到一定程度后，情况发生了逆转。

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现如今荒芜的火星（来源：国家航天局）

内核的结晶，增大了固态内核，却减少了外核的体积，参与对流的液态金属量减少。核心整体温度降低，结晶释放的热量不足以抵消热量的流失，外核的对流运动逐渐减弱。当外核的对流速度低于某个临界值时，“磁场发电机” 就无法维持了。更关键的是，火星体积较小（仅为地球体积的 15%），散热速度比地球快得多，这使得核心冷却和结晶过程更快结束。相比之下，地球的内核仍在缓慢结晶，但地核总量较大，外核对流依然活跃，因此磁场得以长期维持。

核心结晶释放的热量减少后，整个星球的地质活动也随之减弱。地球的板块运动、火山喷发等地质活动，其能量来源很大程度上依赖于地核的热量输出。而火星就没那么“幸运”，核心的冷却，不仅导致了磁场消失，也让这颗红色星球失去了活力，渐渐“死去”。

火星固态内核的发现，就像是挖掘出一本尘封已久的火星史书，让我们有机会看到这颗星球如何从生机勃勃演变为荒芜死寂。它提醒我们，行星的内部活动与表面环境之间存在着深刻的联系 —— 一个小小的内核变化，就能引发连锁反应，彻底改变整个星球的命运。

参考资料：

Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars. Nature 645, 67–72 (2025).