□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 譯 程思淼

HiRISE拍攝到的火星上的坑洞。圖片來源：APOD

柯文采
（Thijs Kouwenhoven）

西交利物浦大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)系

什么造就了“死行星”與“活行星”？

目前，科學(xué)研究清楚地表明，火星是一顆死行星。可是，幾個(gè)世紀(jì)之前，在沒有大望遠(yuǎn)鏡和空間探測器的時(shí)候，天文學(xué)家曾懷疑火星上有生命，而且相信，他們的觀測表明事實(shí)確是如此。

意大利天文學(xué)家喬萬尼·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）是最早對(duì)火星表面進(jìn)行詳細(xì)研究的人之一。他描述了他稱之為“canali”（意大利語）的地貌。雖然這個(gè)詞的本義是（自然的）“溝”，但它卻經(jīng)常被誤譯為英語的“canals”，即（人工的）“運(yùn)河”，暗示著它們是由某些地外文明所建造。這些“canali”的樣子會(huì)隨季節(jié)而變化；人們解釋說，這是植被在不同季節(jié)的消長。

現(xiàn)在我們知道，這些解釋都錯(cuò)了?；鹦巧蠜]有生命。火星上甚至沒有水——至少?zèng)]有發(fā)現(xiàn)大規(guī)模液態(tài)水，它的大氣也很薄。正如我們所知，火星并不適于居住。但是另一方面，火星又因過去可能擁有生命而聞名，因?yàn)橛写罅康淖C據(jù)表明，在遠(yuǎn)古的火星上，海洋、河流、雷暴等等是很常見的。

行星科學(xué)中一個(gè)重要的問題是：什么樣的自然過程為地球上生命的起源提供了條件？換句話說，為什么地球是太陽系中唯一擁有生命的行星？對(duì)這些物理過程進(jìn)行研究，也就有可能預(yù)測，有多少地外行星會(huì)演化出與地球相似的物理化學(xué)條件。行星科學(xué)為解釋我們?yōu)槭裁丛诘厍蛏铣霈F(xiàn)提供了一些線索。

希臘平原（Hellas Planitia）是火星上已知最大的撞擊坑。它位于火星南半球，直徑約23 00千米，深度超過7200米。在它的邊緣有河流與冰川曾經(jīng)存在的證據(jù)。數(shù)十億年前，這里或許曾是一個(gè)巨大的湖。湖中甚至可能存在著原始形式的生命，不過到目前為止，這還只是人們的猜想。圖片來源：Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA)

火星與地球在軌道與物理?xiàng)l件方面的主要差異

接下來，我主要關(guān)心的是火星與地球表面特征的相似與差異之處。正是這些特征使我們能夠重建火星過去的形象。在此之前，我想先指出火星與地球的兩個(gè)主要的不同之處，正是它們?yōu)榛鹦菐砹瞬煌诘厍虻娜蜓莼?/p>

1.由于距太陽比較遠(yuǎn)，火星受到的日照只有地球的40%，因此溫度也低得多?；鹦堑墓D(zhuǎn)軌道比地球扁得多，因此在一個(gè)火星年中，日照總量會(huì)有明顯的不同。同地球一樣，火星的自轉(zhuǎn)軸也是傾斜的，因此它的表面也有冬夏交替?；鹦堑淖赞D(zhuǎn)周期是24小時(shí)37分鐘，因此一個(gè)火星日跟地球的一天幾乎相同。

2.火星是一顆化學(xué)組成與地球相似的類地行星，但它比地球小。這意味著火星的引力要更弱，因此火星大氣中的很多分子，包括水分子，都從火星表面逃逸了，只留下一個(gè)稀薄而干燥的大氣層。（與地球相比）較小的引力還意味著，火星上的山可以更高，谷可以更深，而不會(huì)由于自身的重量而坍塌?；鹦禽^小的尺寸也使得它核心處的熱量更容易散失，因?yàn)閺臒霟岷诵牡胶浔砻嬷g的距離更短了。因此，與內(nèi)部仍然保持熾熱的地球不同，火星的內(nèi)部已經(jīng)冷卻，與熾熱核心相連的各種物理過程也隨之衰弱?；鹦巧系幕鹕胶桶鍓K活動(dòng)很有限，全球磁場已經(jīng)消失。

火星歷史的地質(zhì)學(xué)線索

直到最近幾十年，我們才具備了詳細(xì)研究火星的能力。不過，雖然時(shí)間不長，研究者還是重建了火星自誕生以來的歷史。三種科學(xué)方法起了重要作用：

1.使用望遠(yuǎn)鏡、空間探測器和火星登陸探測器進(jìn)行準(zhǔn)確的探測；

2.使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)建立物理模型；

3.用的東地西球。上我們已經(jīng)熟知的特征與現(xiàn)象類比火星上我們了解尚淺

所有這些研究加在一起，為我們提供了對(duì)這顆紅色行星的過去的合理認(rèn)識(shí)?；谟^測到的表面特征，火星的歷史被分為三個(gè)階段：

第一階段:諾亞紀(jì)

（Noachian period 45～36億年前）在這一階段里，這顆新形成的行星的表面受到強(qiáng)烈的小行星撞擊。

第二階段:赫斯珀利亞紀(jì)

（Hesperian period 36～18億年前）此時(shí)火星表面的大洪水和火山活動(dòng)劇烈。

第三階段:亞馬孫紀(jì)

（Amazonian period，18億年前至今）

此時(shí)火星表面的形態(tài)由風(fēng)和沙塵暴對(duì)沉積物的侵蝕和堆積所塑造。另外，在亞馬孫紀(jì)中仍然存在一些火山活動(dòng)、極少的板塊運(yùn)動(dòng)和極少的小行星撞擊。

火星塔爾西斯高原的地形圖，藍(lán)色為最低的地區(qū)，白色最高。塔爾西斯高原（大部分為紅色）是火星上一塊隆起的區(qū)域。圖片左上方的巨大火山是奧林匹斯山，它是太陽系中最大的山。另外三座突出的火山表明，這里的火山活動(dòng)曾經(jīng)非常強(qiáng)烈。中間的“裂縫”是水手谷，這是由板塊活動(dòng)形成的一條峽谷。正如圖中可以看到的，水手谷也曾把大量的水導(dǎo)向火星上的低地（藍(lán)色區(qū)域）。圖中還可以看到其他河流。上方的藍(lán)色區(qū)域環(huán)形山很少，這表明這一區(qū)域比較年輕，這里在很長的時(shí)間里曾經(jīng)是火星上的海洋。圖片來源：NASA / JPLCaltech/ Arizona State University.

這第三種方法威力巨大。如果我們?cè)诨鹦巧峡吹揭粋€(gè)與地球上的火山十分相像的東西，那么它多半就是一座火山。這種類比通常極為有效，但也有誤判的風(fēng)險(xiǎn)（想一想前面提到的“canali”）。它沒法保證正確，但至少為科學(xué)家后續(xù)的研究指出了正確的方向。

雖然沒人能回到幾十億年前，但測定諸如火山或干涸河道之類的地貌的年齡，還是比較容易的。較早形成的表面結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)歷更多的小行星撞擊。通過比較不同表面上撞擊坑的密度，我們就能編訂不同表面區(qū)域的年代順序，并且估計(jì)它們的年齡。

有很多其他過程參與了火星表面形態(tài)的塑造；在行星形成之后，上述幾種用來確定年代的過程是最主要的——撞擊、板塊運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)、水流和風(fēng)。下面讓我們來看看這些過程都有怎樣的作用。

地球與火星之間驚人的相似

火山

同地球一樣，火星上也有火山活動(dòng)。這一點(diǎn)可以輕易地從火星表面的（死）火山和（凝固的）巖漿流看出來。高27千米、寬500千米的奧林匹斯山（Olympus Mons）不僅是火星上最大的火山，而且是整個(gè)太陽系中最高的山。它是塔爾西斯高原上一系列火山中最大的一個(gè)。從地質(zhì)學(xué)上講，這個(gè)結(jié)構(gòu)與地球上的“熱點(diǎn)火山”（并非由于板塊活動(dòng)，而是由于地幔中的巖漿直接上涌形成的火山）——譬如夏威夷島鏈——相似。撞擊坑計(jì)數(shù)表明，這個(gè)結(jié)構(gòu)表面的不同部分形成于距今1.2億年到200萬年前。這意味著，直到200萬年前，火星的表面還有巖漿在流動(dòng)！

撞擊坑

火星的南半球遍布著撞擊坑，就像月球和水星上一樣。而赤道附近和北半球則不同：這里的表面結(jié)構(gòu)更年輕，上面的撞擊坑就不那么多。因?yàn)檫@里的撞擊坑大都被巖漿流、水流或冰川侵蝕了。地球上的侵蝕過程與火星上的類似，不過要快得多，因此在地球的表面已經(jīng)很難找到撞擊坑。

由火星勘測軌道飛行器拍攝的維多利亞環(huán)形山圖像。維多利亞環(huán)形山是一個(gè)直徑約800米的撞擊坑。它受到風(fēng)的侵蝕，環(huán)壁逐漸坍塌，這一點(diǎn)從環(huán)形山內(nèi)部接近環(huán)壁處墜落的碎石就可以看出。沙塵暴掩埋了附近的許多小環(huán)形山，并且逐漸填平大的環(huán)形山。環(huán)形山內(nèi)部的沙丘（如果讀者仔細(xì)看的話，在圖中各處都能找到）十分引人注目。它們的形成方式與地球上沙漠里的沙丘是一樣的，也是靠風(fēng)的吹拂。機(jī)遇號(hào)火星探測車兩年前對(duì)它進(jìn)行探測之后，維多利亞環(huán)形山成了火星上研究得最充分的地區(qū)。圖片來源：NASA/JPL/University of Arizona.

沙漠、沙灘和沙丘

地球上的沙漠是由風(fēng)塑造的，火星上也是一樣。因此，我們可以期待兩顆行星上的沙漠有很多相似之處。在這兩顆行星上，風(fēng)都起到：1. 從某地帶走一些物質(zhì)；2. 在另一地堆積這些物質(zhì)；以及3. 在這過程中侵蝕已有的表面結(jié)構(gòu)的作用。在火星的山與谷的斷層中，沙土分成很多層，這表明風(fēng)曾在火星表面的塑造中扮演過重要的角色?；鹦堑亩鄶?shù)歷史（環(huán)形山、巖漿流、甚至也許有化石）都被深深地掩埋在沙層下面。同地球上一樣，風(fēng)的吹拂會(huì)形成各種奇形怪狀的沙丘，譬如維多利亞環(huán)形山中的那樣。

“這樣的結(jié)構(gòu)是由誰/什么創(chuàng)造的？”2016年，好奇號(hào)火星車傳回這幅圖像的時(shí)候，科學(xué)家一定發(fā)出了這樣的驚嘆。這幅照片拍攝的是蓋爾（Gale）撞擊坑中黑暗的納米比沙丘（Namib Dune）。沙丘中每座峰寬約3米。這種地貌在地球上也有，但只在大洋的底部。因此，這里也許曾是一片濕潤的地帶。圖片來源：NASA, JPL-Caltech, MSSS

河流與海洋

也許火星表面最驚人的性質(zhì)莫過于此了：它表面的種種地貌——空蕩的河床和海床、沉積物、冰川遺跡——表明，這顆紅色的行星上曾經(jīng)有大量的液態(tài)水?；鹦堑顷懫骱托l(wèi)星的探測都表明，在火星的表面之下和極冠中，現(xiàn)在仍然存在大量的水冰?！短煳膼酆谜摺冯s志已經(jīng)廣泛地討論過火星上的水的問題，因此我在這里從簡。對(duì)火星上干涸河道的地質(zhì)學(xué)研究表明，它們不是由穩(wěn)定的水流形成的。它們是大洪水的產(chǎn)物。洪水的來源很可能是塔爾西斯地區(qū)地表下的冰層。那時(shí)火山變得活躍，加熱了地表，于是地下的冰融化，沖向火星表面那些較低的地方，留下了在地圖上可以看到的這些有特點(diǎn)的河道和河口三角洲。

峽谷

地球上最大的峽谷是位于美國亞利桑那州的科羅拉多大峽谷。它長達(dá)446千米，寬29千米，深達(dá)1.9千米。大峽谷是最近500萬年，科羅拉多高原抬升之后，由科羅拉多河開鑿出來的?；鹦巧献畲蟮膷{谷名為水手谷（Valles Marineris），它長達(dá)4000千米，寬200千米，深7千米。人們一開始認(rèn)為，水手谷也是由一條大河沖刷而成的。但是一項(xiàng)審慎的研究表明，水手谷無疑是板塊運(yùn)動(dòng)的結(jié)果（同地球上的東非大裂谷相似）。在主要結(jié)構(gòu)形成之后，山體滑坡、來自附近奧林匹斯火山的熔巖流和水流作用也參與了其形狀的塑造。

極冠

火星表面最后一個(gè)與地球相似的顯著特征是兩極的極冠。由于火星現(xiàn)在氣候寒冷，這兩個(gè)極冠都是永久的，但會(huì)隨著季節(jié)的變化消長。兩個(gè)極冠主要由兩千米厚的水冰層和表面一到數(shù)米厚的干冰（固態(tài)二氧化碳）層組成。

火星表面的謎

這是火星勘測軌道飛行器于201 6年10月拍攝的一幅圖像。圖像的視野為一千米。圖中顯示的并非是火星北極的沙丘上長出的樹木；科學(xué)家認(rèn)為，它們是春季來臨時(shí)，火星北極冠的干冰融化后留下的暗帶。。圖片來源：HiRISE,MRO, LPL (U. Arizona), NASA

另一幅神秘的圖像拍攝的是火星南極的一個(gè)區(qū)域，由火星勘測軌道飛行器攝于201 1年。此時(shí)火星南半球進(jìn)入了春天，干冰開始升華成二氧化碳?xì)怏w。圖中央的環(huán)形結(jié)構(gòu)直徑約60米，和周圍的結(jié)構(gòu)比起來算是小的。這里究竟發(fā)生了什么？目前仍不清楚，因?yàn)檫@種現(xiàn)象并不曾在地球上出現(xiàn)。圖片來源：HiRISE, MRO, LPL (U. Arizona), NASA

這是好奇號(hào)火星車于2016年拍攝的一幅圖像。土地看上去有些泥濘。也許對(duì)有些讀者來說，這沒什么特別的，畢竟這樣的場面在中國各地的建筑工地上很容易看到?？蛇@是在火星上！這些地表特征是從哪里來的？這片土地過去顯然非常濕潤和泥濘，也許正是微生物的理想溫床。但今天它已變得寒冷而干燥。圖片來源：NASA, JPL-Caltech, MSSS

牛頓環(huán)形山（隕石坑）邊緣的暗帶。它們是如何產(chǎn)生的？究竟是什么在往下流？科學(xué)家猜想，這些暗帶是融化流出的地下冰。今天火星的大氣非常稀薄，液態(tài)水只能在火星表面存在很短的時(shí)間：它們會(huì)在流到環(huán)形山底部之前蒸發(fā)掉。在這些環(huán)形山里，這樣的暗帶時(shí)刻都在產(chǎn)生和消失?？磥砘鹦巧系拇_有液態(tài)水，但數(shù)量非常微小，壽命也很短。圖片來源：HiRISE, MRO, LPL(U. Arizona), NASA

機(jī)遇號(hào)火星探測車在火星上發(fā)現(xiàn)了藍(lán)莓大小的球狀物體。這些小球是如何在火星上產(chǎn)生的？地球上從未發(fā)現(xiàn)過這樣的東西，因此科學(xué)家感到十分驚訝。實(shí)驗(yàn)室研究表明，它們是在臟水中凝聚而成的。圖片來源：MarsExploration Rover Mission, JPL, NASA

在由二氧化碳蒸發(fā)形成的瑞士奶酪樣地貌旁邊，還拍到了一個(gè)大洞。洞口直徑約100米。它是怎樣形成的？現(xiàn)在仍然是個(gè)謎。這個(gè)洞和許多其他洞口的存在表明，火星上也有著某種地下洞穴系統(tǒng)?？茖W(xué)家對(duì)火星地表之下有什么非常感興趣，在未來的幾年里，我們很有可能看到機(jī)器人下到其中一個(gè)火星洞穴里去。圖片來源：NASA, MRO, HiRISE, JPL, U.Arizona

我們能從中學(xué)到什么？

我們研究天文學(xué)的一個(gè)原因在于，我們想了解我們居于其中的這個(gè)世界（宇宙），尤其是我們所居住其上的這一個(gè)（地球）?？茖W(xué)家已經(jīng)能夠較好地研究地球的歷史，但畢竟我們只有一個(gè)地球可供研究。行星科學(xué)的研究領(lǐng)域則更寬一些。通過研究太陽系內(nèi)外的行星和它們的衛(wèi)星，我們實(shí)際上能夠更好地了解，是什么使我們的地球成為其上所有生命的家園！

（責(zé)任編輯 馮）