登上火星,我们会看到什么?

一个多月

中国火星探测器

天问一号

就要正式着陆火星地表

开启一段全新的旅程

(中国航天史上首张清晰的火星地表影像,圆形撞击坑和条状丘陵清晰可见,由天问一号拍摄,图源@国家航天局)

天问一号不但寄托着

中国人的星际探索梦想

还要将人类持续了61年的火星探索

推向新的高度

(1960-2020人类火星探测任务汇总,制图@王申雯/星球研究所)

这些探索

已经让火星的面貌

变得愈发清晰

 

火星与地球几乎同时诞生

形同姊妹

似乎有机会成为“另一个地球

但如今

地球生机勃勃、活力四射

火星却寒冷干燥、满目荒凉

漫天沙尘将天空染成淡淡的红色

成了一个近乎死去的世界

(2021年3月毅力号火星车拍摄的火星地表,图源@NASA)

火星上

究竟发生了什么?

为何与地球命途迥异?

我们又为何

要向它不断进发?

(夜空中的火星,摄影师@Tea-tia)
现在
就让我们通过这篇文章
系统地了解
火星的一生
 01 
碰撞时代

大约46亿年前

年幼的太阳系里

尘埃微粒正在聚集

无数石块、星子、行星胚胎横冲直撞

结合成更大的岩石星球

原始火星

就这样诞生了

(火星在太阳系中位置示意,行星间相对位置有调整,标注@郑伯容&汉青/星球研究所)

紧接着

至少44.8亿年前

另一个行星胚胎与原始火星相撞

火星的样貌从此大为改变

(火星全球影像,图中的大型沟壑地貌为水手大峡谷,图源@NASA)

撞击引起了剧烈的岩浆活动

使得火星地势

南高北低

 

南半球以高原地形为主

地壳较厚

北半球以平原地形为主

地壳较薄

人们称之为“地壳二分性

(请横屏观看,火星地形示意图,火星“海拔”的起点是火星大地水准面,是一个人为定义的曲面;在地球上,海洋的大地水准面与海平面重合,制图@郑艺/星球研究所 )

此后

一系列大规模撞击事件

仍然持续不休

又在南高北低的大背景上

制造出一系列巨型撞击坑

在北半球

若干个巨型撞击坑彼此相近

碰撞产生的熔岩首先在坑底冷却

然后又被泥砂石块逐渐填平

融合成规模惊人的

北方大平原

(火星北半球地形示意图,制图@郑艺/星球研究所)

其中

乌托邦平原

是火星上得到确认的最大撞击坑

直径超过3300km

 

由于面积过于巨大

登陆其上的人类探测器

几乎观察不到任何“坑”的形态

只有一望无际的乱石荒原

故而得名“平原

(1979年维京2号着陆器拍摄的乌托邦平原,乱石上结满白色冰霜,这里也将成为天问一号火星车的着陆地,图源@NASA)

而在火星南半球

大小不一的撞击坑遍布地表

看起来伤痕累累

火星南半球地形示意图,可见密集的撞击坑制图@郑艺/星球研究所

海拉斯平原

是南半球最大的撞击坑

也是火星地表最深的撞击坑

东西长度超过2500km

南北长度超过1400km

最大深度超过7300m

几乎可“放入个青藏高原

(海拉斯平原与青藏高原对比制图@郑艺/星球研究所)

这些巨型撞击坑

主要形成于大约42-37亿年前

堪称“碰撞时代”的高潮

 

但从距今37亿年起

巨型撞击坑基本停止产生

中小型撞击事件则取代它们

继续为火星地表增添疤痕

(请横屏观看,好奇号火星车从盖尔撞击坑中央丘陵回望,近景是裸露在地表的古代岩层,从中可以认识撞击坑的演化历史,该撞击坑形成于约36亿年前,直径150km,图源@NASA)

纵观火星的碰撞时代和随后的历史

火星上产生的撞击坑

数量和规模都十分惊人

其中

直径超过1000km的撞击坑

已有5个得到确认

直径超过1km的撞击坑
更是超过了38万个
远超地球
(火星与地球撞击坑数量对比,制图@郑艺/星球研究所)

在地球上

人们尚未发现直径超过1000km的撞击坑

即便是6500万年前

加速恐龙灭绝的希克苏鲁伯撞击事件

也仅在墨西哥湾浅海区域

留下了直径约180km的撞击坑

它是地球第二大的撞击坑

但放在火星上却毫不起眼

(墨西哥希克苏鲁伯撞击坑地形,制图@郑艺/星球研究所)

而地球上已知的最大撞击坑

是位于南非的弗里德堡撞击结构

形成于20.2亿年前

原始直径仅有约300km

如果放在火星上

只能位列第三梯队

(南非弗里德堡撞击坑地形,制图@郑艺/星球研究所)

但这并不意味着

地球比火星经历了更少的撞击事件

而是因为地球有着

更活跃的地质运动

和更频繁的雨雪风霜

二者早已将大量撞击坑“磨平”

 

以南非的弗里德堡撞击坑为例

原本300km直径的撞击坑

在经过了20多亿年的破坏后

仅留下直径约80km的中央丘陵区

我们已无法看出它原本的规模

(撞击坑破坏示意,地层抬升会使古老的撞击坑逐渐风化消失,制图@王申雯/星球研究所)

我们能在地球上得见的撞击坑

往往非常“新鲜”

而稍稍假以时日

它们同样会被快速“磨平”

(请横屏观看,巴林杰撞击坑,形成于约5万年前,直径仅有1.19km,图源@)

 

正是这两种力量的强弱差异

改变了地球和火星的面貌

火星的大部分历史中

地质运动和雨雪风霜并不活跃

不仅使40多亿年前的巨型撞击坑得以幸存

更使为数众多的中小撞击坑一并保留

(火星维多利亚撞击坑,直径约800m,机遇号火星车曾在此工作,图源@NASA)

这些或大或小的疤痕

仅仅是碰撞对火星外表的改变

更加深远的改变

发生在火星内部

撞击产生的能量

使火星内部变得活跃异常

开启了塑造火星的第二个时代

 02 
火山时代
至少40亿年前
熔岩
开始从火星地下大规模喷出
宣告了火山时代的到来
(请横屏观看,火星火山分布图,制图@郑艺/星球研究所)

在火星的赤道附近

不断喷发的火山

令熔岩在地表反复流淌

竟然形成了一个占火星表面积约25%的

巨型火山高原

塔尔西斯火山高原

(塔尔西斯火山高原地形图,火星“海拔”的起点是火星大地水准面,是一个人为定义的曲面;在地球上,海洋的大地水准面与海平面重合,制图@郑艺/星球研究所)
四座海拔14000m以上的巨大火山
成为高原的“中流砥柱”

其中西北部的奥林匹斯山

海拔达到21229m

是太阳系中最高大的单体火山

(奥林匹斯山影像,颜色表示海拔,图源@NASA)

它们远高于地球上任何一座山峰

即使从太平洋海底算起

地球最大的超级火山夏威夷岛

其顶底落差也仅有9300米

依然相形见绌

(请横屏观看,火星奥林匹斯山与部分地球山峰对比,制图@汉青/星球研究所)
从宏观的角度
这些火山的庞大体量整个太阳系
使人类感到陌生甚至恐惧
但从微观的角度
形形色色的火星火山地貌
却又与地球的火山地貌颇为相似
 
在火星的熔岩平原上
熔岩一边流动一边冷却
堆积出麻绳一样的外观
(埃律西昂平原上的一处火山熔岩,堆积出绳状外观,原图为黑白照片且无比例尺,图源@NASA)
与地球活火山周围
一边流动一边冷却的熔岩
有着类似的外观
(夏威夷熔岩流表面的绳状外观,规模小于上图火星地表的绳状结构,但二者成因类似,图源@)

当熔岩的表面逐渐冷却

转入地下的管道流动

还会在火星上形成
庞大的地下洞穴体系
极易坍塌成线性峡谷或连续坑洞
(火山熔岩管道形成过程示意,制图@王申雯/星球研究所)
 
由此产生了蠕虫一般的坑道
或线性排列的椭圆坑洞
广泛分布在火山四周
(火星奥林匹斯山附近的熔岩管道,不同时期喷发产生的管道彼此叠加、切割,坍塌成断续的坑道,原图为黑白照片且无比例尺,图源@NASA)
而在地球上
冰岛、夏威夷等地
也常见类似的火山熔岩管道
(冰岛的古代熔岩管道,地表可见熔岩冷却留下的柱状节理,管道顶部已局部坍塌,图源@)
火星的火山时代
大约持续到距今30亿年前
从那之后
火山喷发变得更加断断续续
规模也大为减小
如火星北半球的埃律西昂火山区
最近的喷发
可能发生在距今5.3万年前
但最令人称奇的并非它的年轻
而是它周围类似河道的地貌
(埃律西昂火山区地形图,山坡上的熔岩管道流向低洼地,转化成疑似河道的结构,制图@郑艺/星球研究所)
火山熔岩管道顺坡而下
向山脚的平原延伸开来
逐渐拥有了像河流一样曲折的形态
像河流一般蜿蜒消失
似乎在暗示
火星的火山时代里
还隐藏着潺潺的流水
 03 
流水时代
在火星诞生之初
水分子与尘埃共同汇聚
大量的水被“封禁”在星球内部的岩石里
 
在碰撞时代和火山时代
岩浆将水蒸汽不断宣泄到大气
温度稍稍下降
蒸汽凝结成雨
雨水第一次降落这颗星球
宣告了流水时代的到来
(意大利埃特纳火山喷发后的烟柱,火山喷发不仅产生大量的火山灰,也会将巨量的水蒸汽释放出来,图源@)
迄今为止
人类已经在火星上
发现了许多流水时代的实物证据
 
2004年
机遇号火星车发现了小蓝莓结构
一种由含铁矿物构成的球状结核
落在火星撞击坑的地表
(被称作“小蓝莓”的火星含铁矿物结核,由赤铁矿构成,直径若干毫米,图源@NASA)
它们是火星古代地下水的杰作
与美国犹他州沙漠里
散落遍地的“摩奇石球
有着基本相同的成因
(美国犹他州沙漠里的“摩奇石球”,图源@)
在气候湿润的时期
地下水流经地下岩层
一些溶解矿物聚集沉淀
将周围的岩石颗粒粘合成结核
经过一系列化学变化后
不稳定的钙质结核
转变为较稳定的铁质结核
在岩石遭受风化破坏后散落一地
(结核形成与脱落示意,结核是沉积岩中的常见构造,在地球和火星都可以找到,制图@王申雯/星球研究所)
除了古代火星地下水的实物证据
2011年以来
在盖尔撞击坑里探测的好奇号火星车
还找到了许多古代火星地表水流的实物证据
不仅有被流水打磨圆润的卵石
(盖尔撞击坑内高度磨圆的小卵石,形成于河流环境图源@NASA
还有具备特殊纹理的砂岩地层
共同记录了古代奔涌的河流
(请横屏观看,火星盖尔撞击坑砂岩交错层理示意,该处砂岩的纹路即为“交错层理”,是流水堆积砂粒产生的痕迹,底图@NASA,标注@云舞空城&汉青/星球研究所
在地球的砂岩地层里
记录岩石身世的纹理十分常见
如丹霞地貌的砂岩山体中
常可以找到古代河流留下的纹理
(乐山大佛砂岩交错层理示意乐山大佛开凿于丹霞山体上,砂岩里可见密集的交错层理,它们是流水堆积砂粒产生的痕迹摄影师@李琼,标注@云舞空城&汉青/星球研究所
就这样

人们根据对地球地貌的认识

与火星的地表现象进行对比

推演出属于火星流水时代的

溪流汇聚、江河奔涌、波涛拍岸

 

大约40亿多年前的火星

雨水在高地汇聚
经过树枝一般的溪流网络
汇聚成主河道
(陶马西高地南侧的瓦伊格谷河道系统,制图@郑艺/星球研究所)
河流裹挟泥沙继续流淌
在火星高地上切割出壮观的峡谷
长度动辄达到数千千米
深度亦常有数千米
(水手谷和卡塞谷地形示意图,部分学者认为,卡塞谷可能由熔岩而非液态水流动产生,制图@郑艺/星球研究所)
当河流流出高地
来到地势低平的平原区后
它们开始在大地上蜿蜒
留下复杂多变的河曲
将泥沙堆积在河道内
它们转变为岩石后
又从强烈的风化破坏过程里幸存
在地表凸显出来
(伊奥利亚平原的古代火星曲流河道,制图@郑艺/星球研究所)

九曲十八弯的外形

像极了地球上那些曲流河

(内蒙古呼伦贝尔草原莫日格勒河,它是典型的曲流河,摄影师@刘兆明

河流继续流淌

在一些低洼的地区汇聚
形成湖泊与海洋
泥沙则在岸边堆积成三角洲
(火星杰泽罗撞击坑边缘的三角洲,毅力号火星车正在这里寻找火星古代生命迹象,底图@ESA,标注@汉青/星球研究所)
更多的三角洲

则分布在北方大平原周围

似乎在暗示

一个古老的火星海洋

曾占据了流水时代的北半球低地

而那些大大小小的撞击坑

则成为湖泊的所在地

(火星主要三角洲分布及可能的早期海洋分布图,制图@郑艺/星球研究所)

但不同于地球

火星的江河湖海没有持续到今天

大约25亿年前

火星的流水时代逐渐结束

液态水逐渐冻结、消失

 

今天的火星上

流水几乎不复存在

只有一些残留的水冰

分布在部分撞击坑、两极冰盖和地下

(火星北极附近的克洛罗夫撞击坑中残留大量水冰,直径约82km,源@ESA)
究竟发生了什么?
为什么火星
经历了碰撞时代的动荡不安
经历了火山时代的烈火熔炉
经历了流水时代的奔流不息
却最终迎来了死亡?
 04 
死亡时代

我们或许可以从

地球与火星的地形差异中
获取一些线索
在地球上
规模巨大的洋中脊和火山链
年复一年地喷薄岩浆
将地球内部的物质不断带到地表
更新地球表面的大气、水和岩石
印尼婆摩罗火山,印度尼西亚的群岛是板块运动产生的火山岛链,火山活动极为频繁,摄影师@Tony Wang
延绵数千千米的线性山脉
地质历史中起起落落
共同见证着地球板块运动的生生不息
(太空中俯瞰喜马拉雅山脉,画面左侧为中国方向,右侧为印度方向,图源@NASA
但在现代火星上
人们几乎找不到类似的地貌
这里的火山分布零散
缺乏线性的火山链和洋中脊
就连线性的碰撞山脉也几乎不存在
无法证明存在活跃的板块运动
 
只有位于水手谷南方
延绵2000km的陶马斯高地
呈现出一定的线性特征
不排除是古代火星板块碰撞的痕迹
(火星与地球地形对比,标注了主要线性山地、火山带和洋中脊,制图@郑艺/星球研究所)
或许在40多亿年前
火星有过短暂的局部板块运动
但它没有持续到现代
而原因可能仅仅是因为
火星的身材太过娇小

(地球与火星大小示意,底图@NASA,制图@郑伯容/星球研究所)

在冰冷浩渺的宇宙中

娇小的火星

既无法提供足够的放射性元素

在星球内部衰变产生热量

也难以留存碰撞时代遗留的热能

内部冷却程度远甚于地球

以至于无法支持活跃的板块运动

这一差异
改变了两颗星球后来的历史
由于缺少板块运动带来的剧烈地质运动
火星的地表远不如地球这般活跃
古老的撞击坑得以长期存在
穿越40多亿年的光阴
留存至今
(欧科斯环形山,火星表面最古怪的地貌之一,可能由小行星撞击产生,图源@ESA)
由于缺少板块的横向运动
源于地幔深处的岩浆在原地喷发堆积
最终形成巨大的火星火山
而不会像地球的夏威夷火山一样
分散成一连串的火山岛
(地球和火星火山喷发示意,是否存在板块运动,是两颗星球火山高度相差悬殊的重要原因,制图@王申雯/星球研究所)

距今约37亿年前

或许是因为火星地核温度太低

或许是因为某次撞击事件干扰了地核

火星的全球磁场逐渐消失

太阳风得以直达火星大气层

将大气分子“吹”进太空

(太阳风破坏大气层原理,制图@汉青/星球研究所)

当时间来到距今约30亿年前

火星的巨型火山活动渐渐减弱

内部物质难以来到地表

大气层和地表水逐渐失去补

在随后的岁月里

60%以上的火星大气竟因此消失

 

大气愈发稀薄

气压和温度双双下降

液态水冻结在两极附近的地表和地下

偶尔升华产生的水蒸汽

也会很快被太阳风破坏带走

从火星消失

(请横屏观看,火星北极冰盖,由水冰和干冰构成,图源@ESA)

气温继续下降

就连二氧化碳也被冻结

形成厚重的“干冰”冰盖

(火星南极附近的地表干冰实拍,与红色的泥沙混合在一起,图源@NASA)

狂风在地表呼啸

卷起江河湖海沉积的泥沙

用做摧残岩石的武器

(火星的雅丹地貌,是古代湖泊泥沙被风力破坏的产物,图源@NASA)

沙漠开始在火星广泛出现

庞大的沙丘在地表蔓延

(火星沙丘,颜色为人工添加的假彩色,图源@NASA)
火星的死亡时代
从距今25亿年前延续至今
整个星球的表面陷入沉寂
只有偶尔飘过的几缕白云
(火星的稀薄云层,由机遇号拍摄,图源@NASA)
 
和动辄席卷全球的沙尘暴
依旧保留些许的活力
2001年一场全球性的火星沙尘暴,给整个星球都被蒙上一层“沙雾”,由哈勃望远镜拍摄,图源@NASA
火星已经几乎死去
所有曾经的动荡与迸发的力量
都已被埋藏在时光的深处
它用自己最残破的姿态
迎来了人类的探索
 05 
“另一个地球”
人类的火星探索
打破了火星持续数十亿年的沉寂
随着人类越发了解火星
并将火星的一生
与地球的一生进行对比时
才体会到地球的与众不同
地球有着足够大的身躯
至今仍维持着活跃的地核运动
产生出强大的磁场
保护着大气层不受太阳风侵袭
以适当的压力和温度
呵护着地表的一切
(冰岛极光,极光是地球磁场将部分太阳风粒子引导至两极附近后,轰击大气层产生的发光效应,摄影师@Tea-tia
还有活跃的地幔运动
在超过36亿年的时间里
维持着生生不息的板块运动
不断重塑地球的表面
它令高山起落不定
(请横屏观看,远景的喜马拉雅山脉与中景的冈底斯山脉同框,摄影师@孙岩)
令火山喷涌不息
(2021年3月19日起开始喷发的冰岛法格拉达尔火山,图源@)
令江河奔流不止
(新疆伊犁河谷,摄影师@马俊华)
令海洋汹涌不宁
(冰岛的黑色海滩,白色浪花与黑色沙滩形成鲜明对比,黄色部位是被植被覆盖的小山,摄影师@何炜)
令地球成为人类生机勃勃的家园
更成为整个太阳系中
独一无二的蓝色宝石
(火星轨道上最强大的望远镜HiRISE拍摄的地球和月球,可分辨出地球上蓝色的海洋、棕色的陆地和白色的云层,图源@NASA)
是火星的死气沉沉
衬托了地球的活力四射
是火星的黯然死亡
衬托了地球的生生不息
从某种意义来说
地球的姊妹星
火星
是人类认识地球的一个里程碑
也是死去的“另一个地球
而在经历了61年的探索后
火星仍然隐藏着许多奥秘
我们已经获取的火星知识
也仍有许多还是科学猜想
等待着今天的我们去继续解读
继续验证
继续与地球进行对比
(2021年2月19日,正在降落火星地表的美国毅力号火星车,图源@NASA)
而在火星之外
太阳系还有着众多的岩石星体
它们也是地球的兄弟姐妹
也与地球有着截然不同的演化故事
 
在未来的数十乃至上百年里
人类将会继续探索它们的故事
从中挖掘出更多
地球的与众不同
 
只有这样
我们才能更好地理解
脚下的蓝色地球
为什么是人类无与伦比的
家园
(2020年7月23日天问一号火星探测器发射,“天问”是中国行星探测任务的代号,未来还将把我们的视野带向更远的星空,摄影师@Tea-tia

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