登上火星，我們會看到什麼？_風聞

一個多月後

中國火星探測器

天問一號

就要正式着陸火星地表

開啓一段全新的旅程

（中國航天史上首張清晰的火星地表影像，圓形撞擊坑和條狀丘陵清晰可見，由天問一號拍攝，圖源@國家航天局）

▼

天問一號不但寄託着

中國人的星際探索夢想

還要將人類持續了61年的火星探索

推向新的高度

（1960-2020人類火星探測任務彙總，製圖@王申雯/星球研究所）

▼

這些探索

已經讓火星的面貌

變得愈發清晰

火星與地球幾乎同時誕生

形同姊妹

似乎有機會成為“另一個地球”

但如今

地球生機勃勃、活力四射

火星卻寒冷乾燥、滿目荒涼

漫天沙塵將天空染成淡淡的紅色

成了一個近乎死去的世界

（2021年3月毅力號火星車拍攝的火星地表，圖源@NASA）

▼

火星上

究竟發生了什麼？

為何與地球命途迥異？

我們又為何

要向它不斷進發？

（夜空中的火星，攝影師@Tea-tia）

▼

現在

就讓我們通過這篇文章

系統地瞭解

火星的一生

01

碰撞時代

大約46億年前

年幼的太陽系裏

塵埃微粒正在聚集

無數石塊、星子、行星胚胎橫衝直撞

結合成更大的岩石星球

原始火星

就這樣誕生了

（火星在太陽系中位置示意，行星間相對位置有調整，標註@鄭伯容&漢青/星球研究所）

▼

緊接着

至少44.8億年前

另一個行星胚胎與原始火星相撞

火星的樣貌從此大為改變

（火星全球影像，圖中的大型溝壑地貌為水手大峽谷，圖源@NASA）

▼

撞擊引起了劇烈的岩漿活動

使得火星地勢

南高北低

南半球以高原地形為主

地殼較厚

北半球以平原地形為主

地殼較薄

人們稱之為“地殼二分性”

（請橫屏觀看，火星地形示意圖，火星“海拔”的起點是火星大地水準面，是一個人為定義的曲面；在地球上，海洋的大地水準面與海平面重合，製圖@鄭藝/星球研究所 ）

▼

此後

一系列大規模撞擊事件

仍然持續不休

又在南高北低的大背景上

製造出一系列巨型撞擊坑

在北半球

若干個巨型撞擊坑彼此相近

碰撞產生的熔岩首先在坑底冷卻

然後又被泥砂石塊逐漸填平

融合成規模驚人的

北方大平原

（火星北半球地形示意圖，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

其中

烏托邦平原

是火星上得到確認的最大撞擊坑

直徑超過3300km

由於面積過於巨大

登陸其上的人類探測器

幾乎觀察不到任何“坑”的形態

只有一望無際的亂石荒原

故而得名“平原”

（1979年維京2號着陸器拍攝的烏托邦平原，亂石上結滿白色冰霜，這裏也將成為天問一號火星車的着陸地，圖源@NASA）

▼

而在火星南半球

大小不一的撞擊坑遍佈地表

看起來傷痕累累

（火星南半球地形示意圖，可見密集的撞擊坑，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

海拉斯平原

是南半球最大的撞擊坑

也是火星地表最深的撞擊坑

東西長度超過2500km

南北長度超過1400km

最大深度超過7300m

幾乎可以“放入”整個青藏高原

（海拉斯平原與青藏高原對比，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

這些巨型撞擊坑

主要形成於大約42-37億年前

堪稱“碰撞時代”的高潮

但從距今37億年起

巨型撞擊坑基本停止產生

中小型撞擊事件則取代它們

繼續為火星地表增添疤痕

（請橫屏觀看，好奇號火星車從蓋爾撞擊坑中央丘陵回望，近景是裸露在地表的古代岩層，從中可以認識撞擊坑的演化歷史，該撞擊坑形成於約36億年前，直徑150km，圖源@NASA）

▼

縱觀火星的碰撞時代和隨後的歷史

火星上產生的撞擊坑

數量和規模都十分驚人

其中

直徑超過1000km的撞擊坑

已有5個得到確認

直徑超過1km的撞擊坑

更是超過了38萬個

遠超地球

（火星與地球撞擊坑數量對比，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

在地球上

人們尚未發現直徑超過1000km的撞擊坑

即便是6500萬年前

加速恐龍滅絕的希克蘇魯伯撞擊事件

也僅在墨西哥灣淺海區域

留下了直徑約180km的撞擊坑

它是地球第二大的撞擊坑

但放在火星上卻毫不起眼

（墨西哥希克蘇魯伯撞擊坑地形，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

而地球上已知的最大撞擊坑

是位於南非的弗裏德堡撞擊結構

形成於20.2億年前

原始直徑僅有約300km

如果放在火星上

只能位列第三梯隊

（南非弗裏德堡撞擊坑地形，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

但這並不意味着

地球比火星經歷了更少的撞擊事件

而是因為地球有着

更活躍的地質運動

和更頻繁的雨雪風霜

二者早已將大量撞擊坑“磨平”

以南非的弗裏德堡撞擊坑為例

原本300km直徑的撞擊坑

在經過了20多億年的破壞後

僅留下直徑約80km的中央丘陵區

我們已無法看出它原本的規模

（撞擊坑破壞示意，地層抬升會使古老的撞擊坑逐漸風化消失，製圖@王申雯/星球研究所）

▼

我們能在地球上得見的撞擊坑

往往非常“新鮮”

而稍稍假以時日

它們同樣會被快速“磨平”

（請橫屏觀看，巴林傑撞擊坑，形成於約5萬年前，直徑僅有1.19km，圖源@視覺中國）

▼

正是這兩種力量的強弱差異

改變了地球和火星的面貌

在火星的大部分歷史中

地質運動和雨雪風霜並不活躍

不僅使40多億年前的巨型撞擊坑得以倖存

更使為數眾多的中小撞擊坑一併保留

（火星維多利亞撞擊坑，直徑約800m，機遇號火星車曾在此工作，圖源@NASA）

▼

但這些或大或小的疤痕

僅僅是碰撞對火星外表的改變

更加深遠的改變

發生在火星內部

撞擊產生的能量

使火星內部變得活躍異常

開啓了塑造火星的第二個時代

02

火山時代

至少40億年前

熔岩

開始從火星地下大規模噴出

宣告了火山時代的到來

（請橫屏觀看，火星火山分佈圖，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

在火星的赤道附近

不斷噴發的火山

令熔岩在地表反覆流淌

竟然形成了一個佔火星表面積約25%的

巨型火山高原

塔爾西斯火山高原

（塔爾西斯火山高原地形圖，火星“海拔”的起點是火星大地水準面，是一個人為定義的曲面；在地球上，海洋的大地水準面與海平面重合，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

四座海拔14000m以上的巨大火山

成為高原的“中流砥柱”

其中西北部的奧林匹斯山

海拔達到21229m

是太陽系中最高大的單體火山

（奧林匹斯山影像，顏色表示海拔，圖源@NASA）

▼

它們遠高於地球上任何一座山峯

即使從太平洋海底算起

地球最大的超級火山夏威夷島

其頂底落差也僅有9300米

依然相形見絀

（請橫屏觀看，火星奧林匹斯山與部分地球山峯對比，製圖@漢青/星球研究所）

▼

從宏觀的角度

這些火山的龐大體量冠絕整個太陽系

使人類感到陌生甚至恐懼

但從微觀的角度

形形色色的火星火山地貌

卻又與地球的火山地貌頗為相似

在火星的熔岩平原上

熔岩一邊流動一邊冷卻

堆積出麻繩一樣的外觀

（埃律西昂平原上的一處火山熔岩，堆積出繩狀外觀，原圖為黑白照片且無比例尺，圖源@NASA）

▼

與地球活火山周圍

一邊流動一邊冷卻的熔岩

有着類似的外觀

（夏威夷熔岩流表面的繩狀外觀，規模小於上圖火星地表的繩狀結構，但二者成因類似，圖源@視覺中國）

▼

當熔岩的表面逐漸冷卻

轉入地下的管道流動

還會在火星上形成

龐大的地下洞穴體系

極易坍塌成線性峽谷或連續坑洞

（火山熔岩管道形成過程示意，製圖@王申雯/星球研究所）

▼

由此產生了蠕蟲一般的坑道

或線性排列的橢圓坑洞

廣泛分佈在火山四周

（火星奧林匹斯山附近的熔岩管道，不同時期噴發產生的管道彼此疊加、切割，坍塌成斷續的坑道，原圖為黑白照片且無比例尺，圖源@NASA）

▼

而在地球上

冰島、夏威夷等地

也常見類似的火山熔岩管道

（冰島的古代熔岩管道，地表可見熔岩冷卻留下的柱狀節理，管道頂部已局部坍塌，圖源@視覺中國）

▼

火星的火山時代

大約持續到距今30億年前

從那之後

火山噴發變得更加斷斷續續

規模也大為減小

如火星北半球的埃律西昂火山區

最近的噴發

可能發生在距今5.3萬年前

但最令人稱奇的並非它的年輕

而是它周圍類似河道的地貌

（埃律西昂火山區地形圖，山坡上的熔岩管道流向低窪地，轉化成疑似河道的結構，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

火山熔岩管道順坡而下

向山腳的平原延伸開來

逐漸擁有了像河流一樣曲折的形態

像河流一般蜿蜒消失

似乎在暗示

火星的火山時代裏

還隱藏着潺潺的流水

03

流水時代

在火星誕生之初

水分子與塵埃共同匯聚

大量的水被“封禁”在星球內部的岩石裏

在碰撞時代和火山時代

岩漿將水蒸汽不斷宣泄到大氣

當温度稍稍下降

蒸汽凝結成雨

雨水第一次降落這顆星球

宣告了流水時代的到來

（意大利埃特納火山噴發後的煙柱，火山噴發不僅產生大量的火山灰，也會將巨量的水蒸汽釋放出來，圖源@視覺中國）

▼

迄今為止

人類已經在火星上

發現了許多流水時代的實物證據

2004年

機遇號火星車發現了“小藍莓結構”

一種由含鐵礦物構成的球狀結核

散落在火星撞擊坑的地表

（被稱作“小藍莓”的火星含鐵礦物結核，由赤鐵礦構成，直徑若干毫米，圖源@NASA）

▼

它們是火星古代地下水的傑作

與美國猶他州沙漠裏

散落遍地的“摩奇石球”

有着基本相同的成因

（美國猶他州沙漠裏的“摩奇石球”，圖源@視覺中國）

▼

在氣候濕潤的時期

地下水流經地下岩層

一些溶解礦物聚集沉澱

將周圍的岩石顆粒粘合成結核

經過一系列化學變化後

不穩定的鈣質結核

轉變為較穩定的鐵質結核

在岩石遭受風化破壞後散落一地

（結核形成與脱落示意，結核是沉積岩中的常見構造，在地球和火星都可以找到，製圖@王申雯/星球研究所）

▼

除了古代火星地下水的實物證據

2011年以來

在蓋爾撞擊坑裏探測的好奇號火星車

還找到了許多古代火星地表水流的實物證據

不僅有被流水打磨圓潤的卵石

（蓋爾撞擊坑內高度磨圓的小卵石，形成於河流環境，圖源@NASA）

▼

還有具備特殊紋理的砂岩地層

共同記錄了古代奔湧的河流

（請橫屏觀看，火星蓋爾撞擊坑砂岩交錯層理示意，該處砂岩的紋路即為“交錯層理”，是流水堆積砂粒產生的痕跡，底圖@NASA，標註@雲舞空城&漢青/星球研究所）

▼

在地球的砂岩地層裏

記錄岩石身世的紋理十分常見

如丹霞地貌的砂岩山體中

常可以找到古代河流留下的紋理

（樂山大佛砂岩交錯層理示意，樂山大佛開鑿于丹霞山體上，砂岩裏可見密集的交錯層理，它們是流水堆積砂粒產生的痕跡，攝影師@李瓊，標註@雲舞空城&漢青/星球研究所）

▼

就這樣

人們根據對地球地貌的認識

與火星的地表現象進行對比

推演出屬於火星流水時代的

溪流匯聚、江河奔湧、波濤拍岸

大約40億多年前的火星

雨水在高地匯聚

經過樹枝一般的溪流網絡

匯聚成主河道

（陶馬西高地南側的瓦伊格谷河道系統，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

河流裹挾泥沙繼續流淌

在火星高地上切割出壯觀的峽谷

長度動輒達到數千千米

深度亦常有數千米

（水手谷和卡塞谷地形示意圖，部分學者認為，卡塞谷可能由熔岩而非液態水流動產生，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

當河流流出高地

來到地勢低平的平原區後

它們開始在大地上蜿蜒

留下複雜多變的河曲

將泥沙堆積在河道內

它們轉變為岩石後

又從強烈的風化破壞過程裏倖存

在地表凸顯出來

（伊奧利亞平原的古代火星曲流河道，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

九曲十八彎的外形

像極了地球上那些曲流河

（內蒙古呼倫貝爾草原莫日格勒河，它是典型的曲流河，攝影師@劉兆明）

▼

河流繼續流淌

在一些低窪的地區匯聚

形成湖泊與海洋

泥沙則在岸邊堆積成三角洲

（火星傑澤羅撞擊坑邊緣的三角洲，毅力號火星車正在這裏尋找火星古代生命跡象，底圖@ESA，標註@漢青/星球研究所）

▼

更多的三角洲

則分佈在北方大平原周圍

似乎在暗示

一個古老的火星海洋

曾佔據了流水時代的北半球低地

而那些大大小小的撞擊坑

則成為湖泊的所在地

（火星主要三角洲分佈及可能的早期海洋分佈圖，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

但不同於地球

火星的江河湖海沒有持續到今天

大約25億年前

火星的流水時代逐漸結束

液態水逐漸凍結、消失

今天的火星上

流水幾乎不復存在

只有一些殘留的水冰

分佈在部分撞擊坑、兩極冰蓋和地下

（火星北極附近的克洛羅夫撞擊坑中殘留大量水冰，直徑約82km，圖源@ESA）

▼

究竟發生了什麼？

為什麼火星

經歷了碰撞時代的動盪不安

經歷了火山時代的烈火熔爐

經歷了流水時代的奔流不息

卻最終迎來了死亡？

04

死亡時代

我們或許可以從

地球與火星的地形差異中

獲取一些線索

在地球上

規模巨大的洋中脊和火山鏈

年復一年地噴薄岩漿

將地球內部的物質不斷帶到地表

更新地球表面的大氣、水和岩石

（印尼婆摩羅火山，印度尼西亞的羣島是板塊運動產生的火山島鏈，火山活動極為頻繁，攝影師@Tony Wang）

▼

延綿數千千米的線性山脈

在地質歷史中起起落落

共同見證着地球板塊運動的生生不息

（太空中俯瞰喜馬拉雅山脈，畫面左側為中國方向，右側為印度方向，圖源@NASA）

▼

但在現代火星上

人們幾乎找不到類似的地貌

這裏的火山分佈零散

缺乏線性的火山鏈和洋中脊

就連線性的碰撞山脈也幾乎不存在

無法證明存在活躍的板塊運動

只有位於水手谷南方

延綿2000km的陶馬斯高地

呈現出一定的線性特徵

不排除是古代火星板塊碰撞的痕跡

（火星與地球地形對比，標註了主要線性山地、火山帶和洋中脊，製圖@鄭藝/星球研究所）

▼

或許在40多億年前

火星有過短暫的局部板塊運動

但它沒有持續到現代

而原因可能僅僅是因為

火星的身材太過嬌小

（地球與火星大小示意，底圖@NASA，製圖@鄭伯容/星球研究所）

▼

在冰冷浩渺的宇宙中

嬌小的火星

既無法提供足夠的放射性元素

在星球內部衰變產生熱量

也難以留存碰撞時代遺留的熱能

內部冷卻程度遠甚於地球

以至於無法支持活躍的板塊運動

這一差異

改變了兩顆星球后來的歷史

由於缺少板塊運動帶來的劇烈地質運動

火星的地表遠不如地球這般活躍

古老的撞擊坑得以長期存在

穿越40多億年的光陰

留存至今

（歐科斯環形山，火星表面最古怪的地貌之一，可能由小行星撞擊產生，圖源@ESA）

▼

由於缺少板塊的橫向運動

源於地幔深處的岩漿在原地噴發堆積

最終形成巨大的火星火山

而不會像地球的夏威夷火山一樣

分散成一連串的火山島

（地球和火星火山噴發示意，是否存在板塊運動，是兩顆星球火山高度相差懸殊的重要原因，製圖@王申雯/星球研究所）

▼

距今約37億年前

或許是因為火星地核温度太低

或許是因為某次撞擊事件干擾了地核

火星的全球磁場逐漸消失

太陽風得以直達火星大氣層

將大氣分子“吹”進太空

（太陽風破壞大氣層原理，製圖@漢青/星球研究所）

▼

當時間來到距今約30億年前

火星的巨型火山活動漸漸減弱

內部物質難以來到地表

大氣層和地表水逐漸失去補充

在隨後的歲月裏

60%以上的火星大氣竟因此消失

大氣愈發稀薄

氣壓和温度雙雙下降

液態水凍結在兩極附近的地表和地下

偶爾昇華產生的水蒸汽

也會很快被太陽風破壞帶走

從火星消失

（請橫屏觀看，火星北極冰蓋，由水冰和乾冰構成，圖源@ESA）

▼

氣温繼續下降

就連二氧化碳也被凍結

形成厚重的“乾冰”冰蓋

（火星南極附近的地表乾冰實拍，與紅色的泥沙混合在一起，圖源@NASA）

▼

狂風在地表呼嘯

捲起江河湖海沉積的泥沙

用做摧殘岩石的武器

（火星的雅丹地貌，是古代湖泊泥沙被風力破壞的產物，圖源@NASA）

▼

沙漠開始在火星廣泛出現

龐大的沙丘在地表蔓延

（火星沙丘，顏色為人工添加的假彩色，圖源@NASA）

▼

火星的死亡時代

從距今25億年前延續至今

整個星球的表面陷入沉寂

只有偶爾飄過的幾縷白雲

（火星的稀薄雲層，由機遇號拍攝，圖源@NASA）

▼

和動輒席捲全球的沙塵暴

依舊保留些許的活力

（2001年一場全球性的火星沙塵暴，給整個星球都被蒙上一層“沙霧”，由哈勃望遠鏡拍攝，圖源@NASA）

▼

火星已經幾乎死去

所有曾經的動盪與迸發的力量

都已被埋藏在時光的深處

它用自己最殘破的姿態

迎來了人類的探索

​

05

“另一個地球”

人類的火星探索

打破了火星持續數十億年的沉寂

隨着人類越發瞭解火星

並將火星的一生

與地球的一生進行對比時

才體會到地球的與眾不同

地球有着足夠大的身軀

至今仍維持着活躍的地核運動

產生出強大的磁場

保護着大氣層不受太陽風侵襲

以適當的壓力和温度

呵護着地表的一切

（冰島極光，極光是地球磁場將部分太陽風粒子引導至兩極附近後，轟擊大氣層產生的發光效應，攝影師@Tea-tia）

▼

還有活躍的地幔運動

在超過36億年的時間裏

維持着生生不息的板塊運動

不斷重塑地球的表面

它令高山起落不定

（請橫屏觀看，遠景的喜馬拉雅山脈與中景的岡底斯山脈同框，攝影師@孫巖）

▼

令火山噴湧不息

（2021年3月19日起開始噴發的冰島法格拉達爾火山，圖源@視覺中國）

▼

令江河奔流不止

（新疆伊犁河谷，攝影師@馬俊華）

▼

令海洋洶湧不寧

（冰島的黑色海灘，白色浪花與黑色沙灘形成鮮明對比，黃色部位是被植被覆蓋的小山，攝影師@何煒）

▼

令地球成為人類生機勃勃的家園

更成為整個太陽系中

獨一無二的藍色寶石

（火星軌道上最強大的望遠鏡HiRISE拍攝的地球和月球，可分辨出地球上藍色的海洋、棕色的陸地和白色的雲層，圖源@NASA）

▼

是火星的死氣沉沉

襯托了地球的活力四射

是火星的黯然死亡

襯托了地球的生生不息

從某種意義來説

地球的姊妹星

火星

是人類認識地球的一個里程碑

也是死去的“另一個地球”

而在經歷了61年的探索後

火星仍然隱藏着許多奧秘

我們已經獲取的火星知識

也仍有許多還是科學猜想

等待着今天的我們去繼續解讀

繼續驗證

繼續與地球進行對比

(2021年2月19日，正在降落火星地表的美國毅力號火星車，圖源@NASA）

▼

而在火星之外

太陽系還有着眾多的岩石星體

它們也是地球的兄弟姐妹

也與地球有着截然不同的演化故事

在未來的數十乃至上百年裏

人類將會繼續探索它們的故事

從中挖掘出更多

地球的與眾不同

只有這樣

我們才能更好地理解

腳下的藍色地球

為什麼是人類無與倫比的

家園

（2020年7月23日天問一號火星探測器發射，“天問”是中國行星探測任務的代號，未來還將把我們的視野帶向更遠的星空，攝影師@Tea-tia）

▼

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