火星内部不同区域存在400℃温差 南半球地下可能部分熔融

这项研究由加州理工学院校友亚历山大·伯恩领导。伯恩在加州理工学院攻读博士期间建立了一种利用行星引力微小变化推断内部结构的方法，目前已经转任亚利桑那大学博士后研究员。研究成果于2026年8月26日发表于《自然》杂志。

火星最显著的特征之一，就是南北半球之间存在极其明显的差异。南半球以高原、山脉以及密集的古老撞击坑为主，地表整体海拔较高；北半球则主要由低洼、平坦且相对年轻的平原构成。科学家早已知道这种被称为“地壳二分性”的现象，但这种巨大差异究竟是如何形成的，一直没有得到令人满意的解释。

最新研究表明，这种南北差异可能并不止于火星表面，而是一直延伸到了火星深处。研究人员通过对火星内部引力变化的分析发现，南半球地下的内部结构在热学性质上同样与北半球明显不同，其温度可能高出200至400摄氏度。

为了获得这一结果，研究人员没有依赖传统意义上的火星地震观测，而是采用了一种名为“潮汐层析成像”的方法。其基本思路类似医学上的CT扫描，不过扫描对象不是人体，而是整个火星。

太阳的引力会不断作用于火星。由于火星的轨道略呈椭圆形，同时自转轴存在倾角，太阳对火星施加的潮汐作用会随着时间发生变化。火星虽然没有像地球海洋那样可以明显起伏的液态水，但整个行星仍然会受到极其微小的拉伸和形变。

火星内部的温度和物质状态会影响这种形变。温度较低、坚硬的岩石不容易发生变形，而高温、柔软甚至部分熔融的岩石则更容易在潮汐力作用下发生变化。因此，只要能够精确测量火星在潮汐作用下产生的微小响应，就可以反过来推断其地下物质的状态以及温度。

问题在于，这种形变小到无法直接观察。但火星发生形变时，其引力场也会随之产生极其微弱的变化，而绕火星运行的探测器可以通过自身速度的细微变化间接记录这种引力差异。

研究团队因此调取了数十年来多个火星轨道器积累的无线电跟踪数据，其中包括1996年发射的火星全球探勘者号、2001年发射的火星奥德赛号以及2005年发射的火星勘测轨道器。通过分析这些探测器长期运行过程中速度受到的微小引力扰动，研究人员重建出了火星引力场随时间变化的情况。

经过对这些数据进行“潮汐层析成像”分析，研究人员最终得到了火星内部三维结构的模型，并发现南北半球地下存在显著的热学不对称。

这一发现还可能解释火星另外两个长期存在的谜团。

第一个谜团与火星磁场有关。如今的火星已经没有类似地球那样覆盖全球的强磁场，但火星南半球古老地壳中却保存着非常强烈的局部磁化痕迹。这些磁异常被认为是火星早期全球磁场存在过的遗迹，也意味着火星内部曾经拥有能够产生全球磁场的发电机机制。

火星南半球拥有大量这样的磁化地壳，而北半球却明显缺乏类似结构，这种南北差异长期以来令人困惑。如果火星南半球地幔拥有完全不同的热历史，那么它可能帮助解释为什么火星的古老磁性记录在南北两侧呈现出如此不对称的分布。

第二个谜团来自NASA洞察号任务。洞察号搭载的地震仪曾经对火星内部进行持续观测，研究人员发现，地震波在火星南部区域传播时，能量损失速度明显高于北部区域。

高温岩石通常比低温岩石更加柔软，也更容易吸收地震波能量。如果南半球地下确实存在高温甚至部分熔融的地幔，那么这种环境恰好能够解释洞察号此前观测到的地震波异常衰减现象。

这意味着原本看似互不相关的几个火星谜团——南北半球地质差异、南半球异常磁化以及地震波在南部更快衰减——现在可能都指向同一个隐藏因素，那就是火星南半球地下拥有更加炎热、更加柔软的内部结构。

研究人员还认为，这一结果可能与火星过去的水环境有关。火星南北半球巨大的地形差异不仅决定了今天的地表景观，也可能影响古代盆地的形成以及水在火星表面的流动和聚集方式。理解这种南北差异，有助于科学家进一步追踪火星过去的水究竟从哪里来、流向哪里，以及哪些区域曾经可能长期存在液态水。

这对于寻找火星过去是否具备适宜生命存在的环境同样具有意义。火星早期可能拥有更加浓厚的大气、更温暖的气候以及大量地表水，而这些条件与火星内部的地质活动密切相关。如果能够确定南北半球地下热结构形成的时间和原因，就可能进一步还原火星从一个更加活跃、可能宜居的年轻行星逐渐演变成今天寒冷干燥世界的过程。

不过，研究人员目前还无法回答最关键的问题：究竟是什么让火星南半球内部变得如此炎热？

目前至少存在几种可能解释。其中一种可能是火星早期发生过一次规模巨大的撞击事件。一个巨型天体撞击火星可能改变其内部热结构，同时形成北半球巨大的低地盆地，从而造成今天看到的南北半球差异。

另一种可能是火星地幔曾经发生不对称的内部对流。行星内部的热物质会上升、冷却后的物质则会下沉，这种对流过程并不一定始终保持完美的对称状态。如果火星南半球的地幔长期维持一种特殊的对流结构，就可能导致那里持续积累更多热量。

第三种可能与地下物质的成分有关。如果南半球深处存在富含放射性元素的地质结构，那么这些元素在长期衰变过程中会持续释放热量，并可能使地下区域保持异常高温。同时，如果上方存在厚重的地质结构阻碍热量向外释放，热量还可能被长期困在地下。

目前没有一种解释已经获得决定性证据。研究人员表示，下一步需要结合更多地震、重力以及火星表面地质数据，进一步判断这种热异常究竟形成于火星历史的哪个阶段，以及它是否与南北地形二分性同时出现。

这项研究也展示了长期积累的探测数据所具有的价值。火星全球探勘者号早在1996年就已经发射，并于2006年结束任务，但其当年收集的数据如今仍然能够被用于解决火星内部结构这一前沿问题。研究人员通过重新分析几十年前的观测资料，获得了当时任务设计阶段可能根本无法预料的新科学成果。

如果未来能够进一步确认火星南半球地下存在大规模高温甚至部分熔融区域，那么这将意味着火星内部远比过去认为的更加不均匀。对于这颗看似已经“死去”的行星而言，其深处可能仍然隐藏着巨大的热力学差异，而这个200至400摄氏度的温度谜团，或许正是理解火星形成、演化以及远古宜居环境的一把重要钥匙。