火星——一颗被水统治的星球

最近，祝融号火星车结束了“日凌”期的待命状态，继续在火星表面探索的勤恳工作。各路关于天问一号和祝融号的科普已经很多了，小编自己也写了好几篇了。不过，还是会有很多朋友问我：你们这群搞地球科学的人鼓捣火星做什么？

最后这个话题就会指向一个有趣的问题：火星上能种土豆吗？

电影《火星救援》中，主角正在大嚼土豆

换句话说，火星上有没有生命赖以繁衍的水？针对这个问题，国内外大批地学工作者，基于不同的视角开展研究。而根据近20年来国内外的研究成果来看，火星——截然不同于我们对其的印象——是一颗被水统治的星球。

诺亚纪得名于火星上的诺亚平原，诺亚平原的名字则来自于诺亚方舟与洪水的故事。

在41亿年以前，彼时的太阳系一片混乱。八大行星刚刚形成，还没有完全清空自己的轨道。幼年期的行星每天都要遭遇小行星的撞击，这些撞击在岩石行星的地表上留下了岁月的刻痕，但也同时壮大了这些行星，赋予他们额外的生机。

彼时的地球还没有孕育出生命，狂暴的火山和翻卷的海洋伴随着天空中燃烧的陨星一同呼啸。在数百万公里之外的火星，几乎相同的一幕也正在上演。

这就是火星的诺亚纪，开始于约41亿年前，结束于约37亿年前。其起始时间并不十分明确，这是因为早于此时间的火星地表记录几乎全部被后来的地质事件覆盖了。在这个纪元之中，火星被陨石密集轰炸，火山密布，气候温和，甚至可能有着水循环的条件。

艺术家对于约40亿年前的火星形态的想象图

诺亚纪的具体时限主要根据太阳系中普遍存在的晚期大轰炸事件。诺亚纪火星上的陨石坑密集且规模更大，同时还存在着高频次的侵蚀事件，形成了大量的河谷。风化剥蚀，特别是有水参与的风化剥蚀在该时期尤其明显。诺亚纪火星的沉积记录有很多硅酸盐，这显示，这段时期的火星海洋（假如真的有广泛的海洋的话）可能和地球孕育生命的海洋一样，是呈碱性的。

MGS（Mars Global Surveyor）探测器最重要的科学发现之一（也许没有之一），Eberswalde撞击坑附近形成的冲积三角洲。照片拍摄于2003年

你几乎可以不加修改地，将地球形成早期那些场景套用在这个时候的火星上——湿润且浓厚的大气层中电闪雷鸣，陨石划过天空，拖着浓郁的尘烟；大地在颤抖，火山在轰鸣，川流不息的大河汇入波涛汹涌的大海，在火星的表面塑造出血管一般的沟壑，昭示着这颗星球勃发的生机。

诺亚纪火星代表性的地貌景观就是大而多的撞击坑和河谷网络。

诺亚纪的页硅酸盐和后来西方纪的硫酸盐沉积丘。照片由NASA的MRO任务的高分相机拍摄。

但今天，胜景不再，就算是诺亚纪的遗址，也已经不多了。

西方纪，亦翻译为赫斯珀利亚纪（Hesperian），Hesperian是一个希腊-拉丁诗的术语，意为“西方的土地”。西方纪得名于赫斯珀利亚高原（Hesperia Planum），起始于约37亿年，结束于约30亿年。

一张显示了西方纪地貌（左）和诺亚纪地貌（右）转换的图片。诺亚纪的撞击坑在西方纪继续遭到风化，并且显然西方纪的撞击坑小得多，也少得多

西方纪与诺亚纪的最重要分野，就是陨石撞击事件频率和规模的骤减，西方纪的撞击坑显著地又小又少，这是因为席卷整个太阳系类地行星的“晚期大撞击事件”渐入尾声。但与此同时，火星的气候似乎也发生了变化。

在诺亚纪的晚期和西方纪的早期，火星沉积物渐渐从碱性变为酸性。从原来以页硅酸盐为主转变为以硫酸盐为主。这种转变很可能来自于硫等挥发分的快速分异去气过程，反映了火星表面活跃的火山活动。但不要忘了，诺亚纪的火山活动也很剧烈，为什么诺亚纪的沉积物偏碱性呢？

MGS探测器拍摄的赫斯珀利亚高原（画面中心）。显然，与周围的诺亚纪地貌比起来，赫斯珀利亚高原的陨石坑很小且很稀疏。

一种可能的解释为：在这同一时期，火星的大气层也突然变得稀薄了起来，从而加速了挥发分的逸出。火星大气层为什么会突然变稀薄？根据我们现在掌握的证据，火星的内生磁场发电机消失可能是一个最主要的因素。地球的大气层受到地球偶极磁场的保护，因此而不会被太阳风剥离。地球偶极磁场起源的最主流假说即是地球外核磁场发电机学说。因此类比地球，火星大气层的快速消失很可能是其发电机早早消失所致。目前对火星的在轨磁场测量显示，火星的内生偶极磁场已经消失。而火星地表的剩磁信息，就等待祝融号火星车的探测了。

地球大气层受到磁场的保护，抵御太阳风的剥蚀。

当然，也有可能是因为火星的小身板，无法承受晚期大轰炸的众多陨石撞击，导致大气层因为陨石撞击而逸散。这就要等待更深入的研究了，最好是能派几位地质学家实地勘察。

虽然陨石撞击不再频繁剧烈，大气层也可能已经开始跑路，但火星还没有就此沉寂。逐渐封冻的海洋（也有可能自诺亚纪以来一直都是封冻的），蕴藏着一泻千里的能量。此外，太阳系最大的火山——火星奥林匹斯山，可能也形成于该时期。

再次想象这样一个场景——千里冰封的群山之中，冷不丁突然一座火山爆发。顿时，银瓶乍破水浆迸！方圆百里的冰雪同时融化，汇成这太阳系最壮观的洪水，向着悬崖峭壁直泻而下！

消失的艾彻斯裂谷（Echus Chasma）瀑布

这其中有一道裂谷，艾彻斯裂谷（Echus Chasma），落差更是可以达到4千米，可能在短短数周时间之内，就有3500亿立方米的水从这里倾泻而下！这相当于长江小半年的入海水量！

一部分地质学家认为，西方纪火星整体依然存在大量的水，但这些水并不常以液态存在，只有在遭遇火山或陨石等局部事件时，才会融化为液态流水，在塑造地表的同时携带着沉积物奔流不止。

西方纪火星代表性的地貌为间歇性的海洋和峡谷为主，硫酸盐沉积物在其中广泛分布。

不过，诺亚纪和西方纪的丰饶的水资源，最终几乎销声匿迹，我们今天观测到的火星，是一副干旱，死寂的模样——这又是怎么了？

如今我们观测到的火星，是一片干旱寒冷死寂的世界。左：正常状态下的火星。右：沙尘暴中的火星

亚马逊纪是火星的第三个纪，是火星地质年代里最长的一个纪。亚马逊纪得名于火星的亚马逊平原（Amazonis Planitia），但火星的这个亚马逊平原截然不同于地球的亚马逊平原，没有枝叶茂盛的热带丛林，水也在渐渐干涸。亚马逊纪，火星的板块运动、火山活动以及陨石活动都趋于平静，其中火山活动强度大约只有西方纪的十分之一，主要表现为Tharsis和Elysium两座火山的活动。此外，相较于亚纪和西方纪早期，火星的风化剥蚀速率降低很多。

亚马逊平原。很平，撞击坑很少，也没有多少河谷

正是由于亚马逊纪火星板块运动、火山活动等“热活动”的微弱，冰活动(包括冰川和冻土)，尤其是中高纬度的冰活动就十分突出了。火星冰活动相关的地貌往往显示了不算太遥远的历史，更古老一些的地貌很容易周期性地消失。由于亚马逊纪是火星最长的纪，冰活动在整个火星的地貌塑造上很可能起到了重要的作用。

MRO探测器拍摄的火星表面的冰川活动迹象

亚马逊纪，火星地貌大部分都与水的存在、积累和搬运有关，表现为极地冰盖，雪线的进退，冻土融化形成的图案、冰川剥蚀等形式。虽然火星上的冰与水正在慢慢消失，但戏份却变多了。

当然，到了更接近现在的年代，火星上已经很难找到水了，地表沉积的矿物也开始以铁质的成份主导，颜色以铁红色为主。

MRO探测器拍摄的吕科斯沟脊地的地貌

形似地球上冻土融化后的形态

记得早在两年前，小编曾经一本正经地讨论过如何在火星种土豆以及安全地生存下去。两年过去了，小编对这个问题有了更深的理解。越来越多的证据证明，火星的问题不是有没有水，而是曾经那主宰火星表面的水都到哪里去了的问题。

对一颗星球而言，其水资源的出现、丰度和时空分布规律，是研究其行星宜居性的最重要问题之一。在人类全面迈入宇航时代之前，这是必须掌握的知识。

曾经的火星湿润丰饶，现在的火星干旱死寂，这中间到底经历了怎样的演化过程？火星表面的地层记录了完整的行星诞生-发展-消亡过程，等待我们去解读。

截至目前，登陆火星的所有探测器

Carr M H, Head III J W. Geologic history of Mars[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 294(3-4): 185-203.

Bibring J P, Langevin Y, Mustard J F, et al. Global mineralogical and aqueous Mars history derived from OMEGA/Mars Express data[J]. science, 2006, 312(5772): 400-404.

维基百科相关词条

中国国家航天局http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6812123/content.html

编辑：万鹏

校对：李玉钤、赵娜

美编：卢阳阳