| 沙漠之虎 | 2021-04-12 07:09 |
 一个多月后 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，） ▼  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， ） ▼  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，） ▼  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，） ▼  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 几乎可以“放入”整个青藏高原 （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，） ▼  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@视觉中国） ▼  正是这两种力量的强弱差异 改变了地球和火星的面貌 在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，） ▼  但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 ，） ▼  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 冠 绝 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，） ▼  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@视觉中国） ▼  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， ） ▼  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@视觉中国） ▼  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 当 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@视觉中国） ▼  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 散 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，） ▼  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@视觉中国） ▼  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 ， ） ▼  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 ，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， 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， 图 源） ▼  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，） ▼  延绵数千千米的线性山脉 在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，） ▼  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，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， ） ▼  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充 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，） ▼  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，） ▼  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，） ▼  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，） ▼  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，） ▼  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，） ▼  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，） ▼  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@视觉中国） ▼  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，） ▼  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，） ▼  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，） ▼  本文创作团队 主笔：云舞空城 编辑：所长 图片：潘晨霞 地图：郑艺 设计：王申雯&汉青 审校：牧陆 |
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