天差地別的氣候變化

  氣候變化的一個基本因素就是大氣所吸收的能量多少的變化。對火星大氣來說，主要吸收的是陽光的能量。研究者需要尋找兩個要素的其中之一：陽光照射總量的變化；或者陽光在火星表面分布的變化。為什麼要看分布呢？

  因為要引起行星範圍內的極端氣候變化，陽光的熱能必須增加到融化某些東西的程度，例如融化固態二氧化碳或者水凝結成的冰。「水手」6號、7號和9號先後證實了「水手4號」的考察結果：目前火星的兩個極冠是由固態二氧化碳——乾冰組成的。「水手號」項目小組的某些成員懷疑，在「每年」形成的極冠——就像地球上每年都有盈虧變化的極冠——下方深處，隱藏著更多的固態二氧化碳。

  他們認為，如果能給火星的極冠少量地「加熱」，一部分「蟄伏的空氣」就會逸出，充實火星的大氣層。

  數學研究的重點是分析火星的軌道變化。科學家正在尋找一種方法，用以通過定期增加火星極冠地區的太陽照射量，來釋放地層中多餘的二氧化碳。首先，有兩大因素的綜合作用似乎可以增加火星極冠的太陽照射量，釋放一定的隱藏二氧化碳：1）緩慢但可預測的極軸運動（太陽引力對火星赤道的輕微「拉扯」）；2）同樣可預測的火星繞日軌道運動。

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  1966年，科學家初次提出上述理論，他們認為該機制可以每5萬年增加或減少火星1%的太陽照射量。理論的提出者羅伯特·立頓博士與布魯斯·莫雷博士認為，雖然該機制能夠影響每年的火星沙暴——即「籌碼」地貌中呈「條帶狀」的淺色物質與深色物質的始作俑者，但對氣候的整體只能造成極其細微的影響，而且，連十幾層的面積較大的「籌碼」地貌都改變不了。由於圓盤狀的「籌碼」會反過來侵蝕自己的邊緣，因此看上去像一堆「立不穩的籌碼」，它們的存在說明，火星曾經處於長期的氣候變化之中。

  追求想要的結果時，科學家常常遭遇未曾料到的問題，這次的問題出在火星氣候模型的構建過程中。

  在考察階段，莫雷與兩個同事沃德和楊發現「過去我們沒有意識到，長期的日射量周期變化可以調節凍土層中二氧化碳的含量，這也可能影響整個火星範圍的沙暴的形成」。

  莫雷、沃德和楊認為，日射量變化的原因是火星軌道的異常變化。

  幾十年前的一篇關於天體機制的論文也提到過他們的結論，論文的作者是兩位天文學家——布勞威爾和馮·伍爾科姆，他們的研究主題是火星橢圓形軌道（受到地球與木星引力場的影響）的細微變化。莫雷、沃德和楊發現用這個理論也可以解釋火星的氣候變化。

  他們發現，奇形怪狀的火星軌道（從正圓變為橢圓）會在兩個疊加的時期內發生變化：一個是「短期」，每隔95,000年變化一次；另一個是「長期」，每隔大約200萬年變化一次。未來的火星軌道可能會變得比現在還要橢圓。

  無需具備太多科學知識，就能想像出一顆行星與太陽的距離發生改變後會有什麼後果。首先，離太陽越近，行星表面越暖和，離太陽越遠，氣溫越低。如果變化的時間超過一整年，對季節的影響也就可想而知：當行星位於近日點時，處於「夏季」那個半球（包括極地）將會出現異常的炎熱氣候，而「冬半球」則會進入暖冬。當行星轉過半個軌道之後，情況會倒轉：由於行星位於遠日點，一個半球會進入異常寒冷的「冬季」，另一個處於「夏季」的半球則日射量減少，因為行星與太陽的距離在不斷增加。

  莫雷、沃德和楊發現，因為火星與太陽距離變化程度不一，對火星的整體氣溫影響也不一樣，這會引起長期氣候狀況與極冠中固態二氧化碳的潛在變化。或者用他們自己的話來說，就是「這種日射量變化模式與長期和短期的波動非常相似，而且已經被分層地貌記錄了下來」。

  而且，如此驚人的發現內部也隱藏著另外的驚喜。

  其中一位發現者沃德在論文注釋中說：「（在布勞威爾和馮·伍爾科姆的計算結果中）發現，火星的軌道傾角變化範圍是0度到6.5度……這一變化對其斜度的影響不會立即表現出來。」

  論述的重點在於：由行星軌道的異常變化與一直存在的轉軸運動（抖動）之間的某種「動態耦合」造成的行星自轉軸與其軌道的傾角變化，會從本質上改變關鍵的極地區域的日射量。如果目前地球的自轉軸傾角——與垂直方向的夾角約23.5度——改變了，地球極冠會有融化的趨勢，更多的水蒸發到大氣中，提高暴雨的發生頻率與強度，最後，洋面高度提升，淹沒諸如巴黎、倫敦與紐約這樣的大都市。

  根據相同的天體機制運算，隨著時間的推移，地球自轉軸與軌道的傾角只會改變幾度，但是對火星來說，沃德認為：「傾角改變效應在本報告中起到決定作用。」

  原因跟水有關。

  「水手9號」任務之前的激烈辯論的焦點之一，是火星上現存的水量以及位置。「水手」4號、6號與7號已經確認了歷次火星探索計劃展開之前便被提出的一個理論：目前的火星極地冰蓋實際上與地球的極冠不同，它們是由凍結的二氧化碳組成的。「水手」6號與7號測得火星南極極冠溫度相當低，滿足「乾冰理論」的要求。由於這幾架太空飛行器也探測到火星大氣中有水蒸氣的痕跡（也得到地面觀察站的證實），一個順理成章的問題自然出現：火星上過去那些少量的水現在「藏」在哪裡？

  「水手9號」任務中，科學家通過一次情況異常的觀測得出了問題的備選答案。

  「水手號」是在「夏季」抵達火星南半球的，極地冰蓋正好處於縮小狀態，科學家急於繪製乾冰所在區域的每日變化圖，以便計算融冰量（確切地說，這裡的「融化」指的是乾冰的升華，從固態直接變為氣態的過程），然後建立一個綜合關係模型，反映「乾冰冰蓋」與目前的火星氣壓。

  目前的火星環境是獨一無二的，除它之外，人類研究過的太陽系行星中沒有任何一顆星球的空氣能夠凍結，然後像雪片一樣落到地面上。

  地球上擁有豐富的水蒸氣，與火星很是不同。地球上的冰雪與大氣有著密不可分的關係，它們是空氣存在的「追蹤劑」。如果要和火星一樣，那麼首先地球大氣中占絕對優勢的氣體——氮氣——每年都要先凍結然後融化，毋庸置疑，要是真的這樣，整個地球的溫度必須達到氮氣的冰點，接近零下300華氏度（約零下184攝氏度）！

  不過，火星畢竟非常獨特，在那兒，二氧化碳可以凍結，然後像冰晶一樣落到兩極地表。但是，因為火星目前觀測到的氣壓很低，有的科學家預測，即使在寒冷的冬天，二氧化碳的凍結量也會比較少，只夠形成最多幾米深的覆蓋地面的乾冰層。

  因此，科學家們預言，當「水手9號」準時到達火星，開始監測南極冰蓋的融化情況時，所有乾冰都會融化。雖然火星極地的夏季氣溫最高也不過零下185華氏度（約零下120攝氏度），但比二氧化碳的冰點高許多。

  可想而知，當「水手9號」項目小組的成員們發現，火星南極冰蓋在如他們預期的那樣縮小了幾周後，卻減慢了融化的速度……接著停止融化，之後在整個夏季都沒有再度融化的時候，他們是多麼的驚奇。這種驚人的現象只能說明一點：除了乾冰之外，還有其他物質隱藏在「每年」形成的冰蓋下方，當上方的固態二氧化碳升華之後，該物質便隨之顯露出來。

  只有一種含量豐富的化合物符合條件：水。火星南極「剩下的冰蓋」顯然是過去一度在地表上流淌、侵蝕出大量溝渠、呈現液態的水的聚集地。

  我們現在唯一要做的，或者說過去也應該做的，就是找到「加熱」火星的辦法，直到那些水融化為止。因為，如果水蒸氣能與已經升華到別處（也許被極地的土壤吸收了）的二氧化碳「碰頭」，就會產生溫室效應，鎖住太陽輻射，在極大程度上提高整個火星的平均氣溫。

  火星的「春天」就會到來。

  「海盜號」計劃在1976年把兩架著陸器發射到火星，並且讓兩艘軌道飛行器在火星上方巡航的時候，威廉·沃德博士也證明了火星的「春天」是有可能到來的。

  在1973年到1981年發表的一系列論文中，沃德與數位合著者研究了火星自轉軸與軌道傾角的意外改變對火星氣候的影響。

  他們發現，火星在整個太陽系中是獨特的：只有它的自轉軸傾斜方向可以改變24度（±12度）之多。

  這種極不正常的行星自轉軸傾角（正常傾角為25度左右）變化會完全改變火星的氣候，因為極地冰蓋會離太陽更近。就在沃德開展研究的時候，「海盜號」拍攝的照片證明火星已經不再像原來那般寒冷，氣溫正在向它過去的某個歷史時期靠攏。

  在這樣一個世界裡，生命確實有可能出現。火星上能否重新誕生與曾經建造了火星之城與「火星臉」的「火星人」同源的智慧生物，也許只是時間問題。

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