火星作为太阳系内与地球环境最相似的类地行星，一直是行星内部结构与演化研究的重要对象，也是深空探测的核心目标之一。近日，一项在线发表在《自然》杂志上的研究广受关注：中国科学技术大学孙道远教授、毛竹教授团队联合国外学者通过深入分析美国国家航天局洞察号（InSight）着陆探测器记录的火星地震数据，首次确证火星内部存在固态内核，并揭示其主要成分构成可能是富含轻元素的结晶铁镍合金。《自然》期刊审稿人给予了高度评价：火星地震学研究极具挑战，相信这篇论文将在未来数年持续引发学界讨论。我们请中国科普作家协会会员雷淼来作解读。

（1）研究震相发现火星固态内核

此前，有国外科研人员研究洞察号的数据后认为，火星核至少具有液体部分（甚至可能全是液体），但并不确知是否具有固体。此次，火星内部存在固态内核的发现，是中国科学家通过深入研究火星地震的震相得出的。

什么是震相？举个例子：我们在群山中高呼，能听到好几次回声，这是因为山崖离我们有近有远，声波反射的路径也有长有短。同样，地震的时候，震波会在行星内部朝着四面八方传播出去，它们到达监测设备的路径也各不相同。有的震波直接传到设备；有的沿着行星球面经过若干次地壳反射；有的穿越地幔朝着行星深处去，撞到地幔与地核的交界面再反弹……最终，由于震波传播时会穿过不同的行星内部结构，到达监测设备的相应路径与耗时也不同，因此在观测记录上会显示出不同的波形特征，我们称之为震相。

研究团队从洞察号的火星地震记录中选取了23个信号质量较好的数据，引入地震阵列分析方法对数据进行叠加增强，成功提取出途经火星核的关键震相。其中最特别的路径是：深入火星地幔-钻进火星核-在火星核对侧反射-重返这一面的火星地幔-到达洞察号。这条路径的震波到达时间比全液态火星核模型预计的提早了50秒到200秒。

震波跑得快意味着这条路径上有帮助震波提速的物质。按照人类所知的物质规律，震波在固体中的传播比在液体中快，如果火星拥有一个固态内核，那么这个现象就能被合理解释。研究团队还捕捉到另一个关键震相，这个震相比刚才所说的还要快740秒左右，它表明震波进入地幔、液态外核后，撞到内核反射回来了，省掉了穿越火星核跑到对侧的一段路程。假如火星核没有固态和液态之分，就不会有这种反射震相，所以这一发现成了火星拥有固态内核的直接证据。

结合各种震相数据，研究团队反演出火星固态内核的结构。火星固态内核的半径应为613±67公里，大约是火星半径的18%，有趣的是这个比例与地球相应结构的比例非常接近。此外，根据计算得出的波速跳变与密度差异，研究团队进一步分析内核的组成成分后认为，火星内核并非纯铁镍构成，还可能包含12%-16%的硫、6.7%-9.0%的氧以及不超过3.8%的碳。这种含有轻元素的星核结构，不仅为火星磁场从早期活跃到如今沉寂的演化历程提供了重要线索，也为对比地球与其他类地行星的内部演化差异奠定了关键基础。

中国科学家首次确证火星存在固态内核示意图：紫红色震波为穿透行星内核或在内核反射的震波，其中PKiKP是火星固态内核的直接证据；浅褐色震波为未与行星内核发生作用的震波。

（2）对研究火星宜居性意义重大

火星缺乏液态水的直接原因是大气层极其稀薄，表面的平均气压还不到地球标准大气压的1%。在这么低的气压下，所谓的常温液态水轻轻松松就达到了沸点，消散在空中了。更深层的原因是，火星核心的行星发电机早在30多亿年前就已停转，无法产生磁场来罩住自身的大气层。裸露在浩浩荡荡的太阳风中，火星的大气每时每刻都在剥离。稀薄的大气容不下液态水，也留不住热量，随着岁月更迭，火星的宜居性一天天消散。

反观地球，太阳风中的高能带电粒子还没攻到大气层，就随着笼罩全球的磁场不由自主地拐向两边了。因此，许多科幻作品的“火星移民计划”都把重建火星磁场作为首要条件。广为科学界接受的行星发电机理论指出，要想诱发行星产生磁场，要满足3个条件：1.大量可导电流体，如熔融的铁镍；2.行星自转；3.热或化学的内部能源，以驱动流体产生对流。前两个条件，火星很容易就满足了。而按照这次的研究成果，火星存在内核结晶的过程，似乎也能满足第三个条件。

但研究团队认为，结晶驱动的发电机取决于许多因素，包括核心结晶的速率和方式，以及轻元素在固液之间的分配方式。早期火星的核心冷却迅速，能够启动行星发电机，但现在的冷却速度已经大大降低，无法再驱动热对流了。此外，尽管内核结晶仍在进行，但由于进展太慢或密度对比不足等原因，还是无法重启发电机。要想深入了解火星内核的形成过程及其对发电机演化的影响，需要更详细的建模，并进一步探明火星核的成分以及火星地幔的黏度。这些研究对于阐明火星内部动力学以及了解水星和木卫三等其他星球的发电机机制也具有重要意义。

（3）中国行星探测研究迈出关键一步

为什么科学家对火星这么感兴趣？在太阳系所有的类地行星中，火星的自然环境与地球最接近，同时也被视为一个经典的类地行星演化样本。

火星研究的方法与成果，也能为其他天体的探测研究提供思路。中国科学技术大学的这项研究确认了固态内核的存在，证实了火星与地球相似的核幔分异结构，为地球的形成演化过程提供了宝贵的对照组。研究团队创新发展的火星地震学方法，也能为未来深空探测任务中研究月球等星体的深部结构提供重要参考。可以说，这项研究成果标志着我国科研团队在行星内部结构探测领域迈出关键一步，彰显了我国在行星科学与地球物理交叉研究中的创新能力与国际影响力。

中国在2020年发射的天问一号火星探测任务（含祝融号漫游车）已经取得圆满成功，获得了火星的大量实地一手资料。2028年，天问三号将启程，执行世界上首次火星采样返回任务。科学家寄希望于天问三号探寻火星潜在的生命痕迹，探研地质和内部结构特征，探查大气循环与逃逸过程，最后取得类地行星宜居性演化研究的重大发现。

火星作为太阳系内与地球环境最相似的类地行星，一直是行星内部结构与演化研究的重要对象，也是深空探测的核心目标之一。近日，一项在线发表在《自然》杂志上的研究广受关注：中国科学技术大学孙道远教授、毛竹教授团队联合国外学者通过深入分析美国国家航天局洞察号（InSight）着陆探测器记录的火星地震数据，首次确证火星内部存在固态内核，并揭示其主要成分构成可能是富含轻元素的结晶铁镍合金。《自然》期刊审稿人给予了高度评价：火星地震学研究极具挑战，相信这篇论文将在未来数年持续引发学界讨论。我们请中国科普作家协会会员雷淼来作解读。

（1）研究震相发现火星固态内核

此前，有国外科研人员研究洞察号的数据后认为，火星核至少具有液体部分（甚至可能全是液体），但并不确知是否具有固体。此次，火星内部存在固态内核的发现，是中国科学家通过深入研究火星地震的震相得出的。

什么是震相？举个例子：我们在群山中高呼，能听到好几次回声，这是因为山崖离我们有近有远，声波反射的路径也有长有短。同样，地震的时候，震波会在行星内部朝着四面八方传播出去，它们到达监测设备的路径也各不相同。有的震波直接传到设备；有的沿着行星球面经过若干次地壳反射；有的穿越地幔朝着行星深处去，撞到地幔与地核的交界面再反弹……最终，由于震波传播时会穿过不同的行星内部结构，到达监测设备的相应路径与耗时也不同，因此在观测记录上会显示出不同的波形特征，我们称之为震相。

研究团队从洞察号的火星地震记录中选取了23个信号质量较好的数据，引入地震阵列分析方法对数据进行叠加增强，成功提取出途经火星核的关键震相。其中最特别的路径是：深入火星地幔-钻进火星核-在火星核对侧反射-重返这一面的火星地幔-到达洞察号。这条路径的震波到达时间比全液态火星核模型预计的提早了50秒到200秒。

震波跑得快意味着这条路径上有帮助震波提速的物质。按照人类所知的物质规律，震波在固体中的传播比在液体中快，如果火星拥有一个固态内核，那么这个现象就能被合理解释。研究团队还捕捉到另一个关键震相，这个震相比刚才所说的还要快740秒左右，它表明震波进入地幔、液态外核后，撞到内核反射回来了，省掉了穿越火星核跑到对侧的一段路程。假如火星核没有固态和液态之分，就不会有这种反射震相，所以这一发现成了火星拥有固态内核的直接证据。

结合各种震相数据，研究团队反演出火星固态内核的结构。火星固态内核的半径应为613±67公里，大约是火星半径的18%，有趣的是这个比例与地球相应结构的比例非常接近。此外，根据计算得出的波速跳变与密度差异，研究团队进一步分析内核的组成成分后认为，火星内核并非纯铁镍构成，还可能包含12%-16%的硫、6.7%-9.0%的氧以及不超过3.8%的碳。这种含有轻元素的星核结构，不仅为火星磁场从早期活跃到如今沉寂的演化历程提供了重要线索，也为对比地球与其他类地行星的内部演化差异奠定了关键基础。

中国科学家首次确证火星存在固态内核示意图：紫红色震波为穿透行星内核或在内核反射的震波，其中PKiKP是火星固态内核的直接证据；浅褐色震波为未与行星内核发生作用的震波。

（2）对研究火星宜居性意义重大

火星缺乏液态水的直接原因是大气层极其稀薄，表面的平均气压还不到地球标准大气压的1%。在这么低的气压下，所谓的常温液态水轻轻松松就达到了沸点，消散在空中了。更深层的原因是，火星核心的行星发电机早在30多亿年前就已停转，无法产生磁场来罩住自身的大气层。裸露在浩浩荡荡的太阳风中，火星的大气每时每刻都在剥离。稀薄的大气容不下液态水，也留不住热量，随着岁月更迭，火星的宜居性一天天消散。

反观地球，太阳风中的高能带电粒子还没攻到大气层，就随着笼罩全球的磁场不由自主地拐向两边了。因此，许多科幻作品的“火星移民计划”都把重建火星磁场作为首要条件。广为科学界接受的行星发电机理论指出，要想诱发行星产生磁场，要满足3个条件：1.大量可导电流体，如熔融的铁镍；2.行星自转；3.热或化学的内部能源，以驱动流体产生对流。前两个条件，火星很容易就满足了。而按照这次的研究成果，火星存在内核结晶的过程，似乎也能满足第三个条件。

但研究团队认为，结晶驱动的发电机取决于许多因素，包括核心结晶的速率和方式，以及轻元素在固液之间的分配方式。早期火星的核心冷却迅速，能够启动行星发电机，但现在的冷却速度已经大大降低，无法再驱动热对流了。此外，尽管内核结晶仍在进行，但由于进展太慢或密度对比不足等原因，还是无法重启发电机。要想深入了解火星内核的形成过程及其对发电机演化的影响，需要更详细的建模，并进一步探明火星核的成分以及火星地幔的黏度。这些研究对于阐明火星内部动力学以及了解水星和木卫三等其他星球的发电机机制也具有重要意义。

（3）中国行星探测研究迈出关键一步

为什么科学家对火星这么感兴趣？在太阳系所有的类地行星中，火星的自然环境与地球最接近，同时也被视为一个经典的类地行星演化样本。

火星研究的方法与成果，也能为其他天体的探测研究提供思路。中国科学技术大学的这项研究确认了固态内核的存在，证实了火星与地球相似的核幔分异结构，为地球的形成演化过程提供了宝贵的对照组。研究团队创新发展的火星地震学方法，也能为未来深空探测任务中研究月球等星体的深部结构提供重要参考。可以说，这项研究成果标志着我国科研团队在行星内部结构探测领域迈出关键一步，彰显了我国在行星科学与地球物理交叉研究中的创新能力与国际影响力。

中国在2020年发射的天问一号火星探测任务（含祝融号漫游车）已经取得圆满成功，获得了火星的大量实地一手资料。2028年，天问三号将启程，执行世界上首次火星采样返回任务。科学家寄希望于天问三号探寻火星潜在的生命痕迹，探研地质和内部结构特征，探查大气循环与逃逸过程，最后取得类地行星宜居性演化研究的重大发现。