火星南部地幔比北部熱 200–400°C：研究揭示地表二分結構可能深入行星內部

火星的「兩張臉」可能不只存在於地表。

火星南部是高聳、古老且遍布隕石坑的南部高地；北部則是地勢較低、相對年輕的北部平原。最新刊於《Nature》的研究指出，這種著名的「地殼二分結構」可能一路延伸至火星深處：南部地幔目前估計比北部高約 200–400°C，物質也較容易變形，並可能至少部分熔融。310

這不是研究人員直接把溫度計放進火星地底測量，而是透過火星重力與潮汐反應的細微變化，利用物理模型反推出內部結構。結果為火星南北半球長期存在的熱力差異提供了新證據，但熱異常究竟如何形成，仍未有定論。

南部高地與北部平原：火星最大的地質分界

火星表面的南北差異早已是行星科學中的核心謎題。南部高地地勢較高、隕石坑密集，代表地表更古老；北部平原則較低、較平坦，部分研究曾提出那裡可能是遠古海洋所在位置。一般地質模型也認為，南部地殼比北部厚得多。31

因此，這項新研究的重要之處在於：火星的「兩張臉」可能不只是地殼厚度、地形高度或地表年齡不同，而是源自更深層的內部不對稱。南部高地下方似乎存在溫度較高、黏度較低的地幔；溫度越高，岩石通常越容易流動與變形，部分區域甚至可能出現熔融。3

研究如何「看見」地下熱異常？

研究團隊重新處理了三艘 NASA 火星軌道器累積 16 年的精密無線電追蹤資料，分別是：

• 火星全球測量者號（Mars Global Surveyor）
• 火星奧德賽號（Mars Odyssey）
• 火星勘測軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter）

當航天器繞火星運行時，火星的重力會對其速度與軌道造成細微影響。長期追蹤這些變化，可以建立高解析度的火星重力場，並取得有關地殼厚度、潮汐及火星內部的線索。2

關鍵訊號來自太陽對火星施加的潮汐力。火星沿著略呈橢圓形的軌道繞太陽運行，內部因此會產生極其微小、但隨時間改變的形變。研究人員沒有只計算火星整體的平均潮汐反應，而是利用「潮汐層析成像」（tidal tomography），分析不同地區的潮汐反應有何差異。812

地幔的溫度與物理狀態會影響岩石的剛性、黏度，以及潮汐能量被耗散的方式。透過建立火星重力反應隨地理位置變化的模型，研究團隊推算出南部地幔比北部更熱、更弱，現今的溫度差約為 200–400°C。3

換句話說，軌道器量到的是重力和潮汐行為；「地幔更熱」則是根據這些觀測結果與地球物理模型推導出的結論。

熱異常可能解釋哪些火星謎題？

南部地殼的強烈磁異常

火星南部古老高地集中分布著強烈的殘留磁異常。這些訊號被認為是地殼岩石在火星仍擁有全球磁場時形成磁化，後來保留下來的紀錄。3037

較熱的南部內部，可能曾影響早期熔融、火山活動，以及帶有磁性的地殼形成或改造過程。不過，這只是值得檢驗的可能連結，並不代表這次推算出的熱異常單獨造成了火星古代磁場，或解釋了所有地殼磁性。

熱量、水與熱液活動

行星內部熱能可以驅動火山活動與熱液循環。過去研究曾指出，南部高地部分地區的地殼磁性，與谷網及岩漿侵入體上方可能出現的熱液排放存在空間關聯。26

新的地幔熱異常為研究火星遠古水文歷史提供了另一項內部條件。如果南部熱量能長期保存，便可能維持局部地下水循環，或形成曾含水的地下環境。這些情境與火星過去是否具備宜居條件有關，但研究結果並未證明任何特定盆地曾有生命，也沒有證明某處曾在特定時間長度內持續有水。

地幔運動與板塊構造爭議

這項熱異常也能用來檢驗火星早期演化的不同模型。科學家一直在討論，早期火星是否曾出現局部地幔對流、岩石圈再循環，或某種有限度的類板塊活動。

火星地殼中的線性磁性構造，過去曾被拿來討論早期板塊構造的可能性；但這種解讀仍具爭議。NASA 的一項分析認為，現有證據並不強力支持類似地球的板塊構造。27

因此，這項研究並沒有證明火星曾擁有現代地球式的活動板塊。它更明確地提出一項約束：任何解釋火星早期內部演化的模型，都必須能說明南北半球之間顯著的熱差異。

為什麼火星南部地幔會更熱？

研究目前確認的是「存在不對稱」，而不是它的成因。可能機制包括：

• 遠古巨大撞擊： 早期一次規模極大的撞擊，可能重塑火星的地殼與地幔，同時形成地表二分結構，並留下長期熱力影響。
• 持續性的南部地幔對流： 長時間存在的上湧流或地幔柱，可能將熱量輸送至南半球。
• 厚重結構保存熱量： 南部較厚的地殼或岩石圈，可能像隔熱層一樣減慢下方地幔的冷卻。

目前的證據還不足以在這些假說中作出決定性選擇。較穩妥的結論是：火星表面的南北二分結構，在深部可能有對應的熱力結構；南部地幔如今被推算為明顯比北部更熱、更柔軟，部分區域還可能處於熔融狀態。

未來若能結合更精密的重力、地震與地質模型，將有助判斷這種差異究竟是火星形成初期留下的遺跡，還是由更長時間尺度的內部活動維持至今。