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□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 译 程思淼  HiRISE拍摄到的火星上的坑洞。图片来源：APOD  柯文采 西交利物浦大学数学科学系 什么造就了“死行星”与“活行星”？目前，科学研究清楚地表明，火星是一颗死行星。可是，几个世纪之前，在没有大望远镜和空间探测器的时候，天文学家曾怀疑火星上有生命，而且相信，他们的观测表明事实确是如此。 意大利天文学家乔万尼·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）是最早对火星表面进行详细研究的人之一。他描述了他称之为“canali”（意大利语）的地貌。虽然这个词的本义是（自然的）“沟”，但它却经常被误译为英语的“canals”，即（人工的）“运河”，暗示着它们是由某些地外文明所建造。这些“canali”的样子会随季节而变化；人们解释说，这是植被在不同季节的消长。 现在我们知道，这些解释都错了。火星上没有生命。火星上甚至没有水——至少没有发现大规模液态水，它的大气也很薄。正如我们所知，火星并不适于居住。但是另一方面，火星又因过去可能拥有生命而闻名，因为有大量的证据表明，在远古的火星上，海洋、河流、雷暴等等是很常见的。 行星科学中一个重要的问题是：什么样的自然过程为地球上生命的起源提供了条件？换句话说，为什么地球是太阳系中唯一拥有生命的行星？对这些物理过程进行研究，也就有可能预测，有多少地外行星会演化出与地球相似的物理化学条件。行星科学为解释我们为什么在地球上出现提供了一些线索。  希腊平原（Hellas Planitia）是火星上已知最大的撞击坑。它位于火星南半球，直径约23 00千米，深度超过7200米。在它的边缘有河流与冰川曾经存在的证据。数十亿年前，这里或许曾是一个巨大的湖。湖中甚至可能存在着原始形式的生命，不过到目前为止，这还只是人们的猜想。图片来源：Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) 火星与地球在轨道与物理条件方面的主要差异接下来，我主要关心的是火星与地球表面特征的相似与差异之处。正是这些特征使我们能够重建火星过去的形象。在此之前，我想先指出火星与地球的两个主要的不同之处，正是它们为火星带来了不同于地球的全球演化： 1.由于距太阳比较远，火星受到的日照只有地球的40%，因此温度也低得多。火星的公转轨道比地球扁得多，因此在一个火星年中，日照总量会有明显的不同。同地球一样，火星的自转轴也是倾斜的，因此它的表面也有冬夏交替。火星的自转周期是24小时37分钟，因此一个火星日跟地球的一天几乎相同。 2.火星是一颗化学组成与地球相似的类地行星，但它比地球小。这意味着火星的引力要更弱，因此火星大气中的很多分子，包括水分子，都从火星表面逃逸了，只留下一个稀薄而干燥的大气层。（与地球相比）较小的引力还意味着，火星上的山可以更高，谷可以更深，而不会由于自身的重量而坍塌。火星较小的尺寸也使得它核心处的热量更容易散失，因为从炽热核心到寒冷表面之间的距离更短了。因此，与内部仍然保持炽热的地球不同，火星的内部已经冷却，与炽热核心相连的各种物理过程也随之衰弱。火星上的火山和板块活动很有限，全球磁场已经消失。 火星历史的地质学线索直到最近几十年，我们才具备了详细研究火星的能力。不过，虽然时间不长，研究者还是重建了火星自诞生以来的历史。三种科学方法起了重要作用： 1.使用望远镜、空间探测器和火星登陆探测器进行准确的探测； 2.使用计算机模拟技术建立物理模型； 3.用的东地西球。上我们已经熟知的特征与现象类比火星上我们了解尚浅 所有这些研究加在一起，为我们提供了对这颗红色行星的过去的合理认识。基于观测到的表面特征，火星的历史被分为三个阶段： 第一阶段:诺亚纪 （Noachian period 45～36亿年前）在这一阶段里，这颗新形成的行星的表面受到强烈的小行星撞击。 第二阶段:赫斯珀利亚纪 （Hesperian period 36～18亿年前）此时火星表面的大洪水和火山活动剧烈。 第三阶段:亚马孙纪 （Amazonian period，18亿年前至今） 此时火星表面的形态由风和沙尘暴对沉积物的侵蚀和堆积所塑造。另外，在亚马孙纪中仍然存在一些火山活动、极少的板块运动和极少的小行星撞击。  火星塔尔西斯高原的地形图，蓝色为最低的地区，白色最高。塔尔西斯高原（大部分为红色）是火星上一块隆起的区域。图片左上方的巨大火山是奥林匹斯山，它是太阳系中最大的山。另外三座突出的火山表明，这里的火山活动曾经非常强烈。中间的“裂缝”是水手谷，这是由板块活动形成的一条峡谷。正如图中可以看到的，水手谷也曾把大量的水导向火星上的低地（蓝色区域）。图中还可以看到其他河流。上方的蓝色区域环形山很少，这表明这一区域比较年轻，这里在很长的时间里曾经是火星上的海洋。图片来源：NASA / JPLCaltech/ Arizona State University. 这第三种方法威力巨大。如果我们在火星上看到一个与地球上的火山十分相像的东西，那么它多半就是一座火山。这种类比通常极为有效，但也有误判的风险（想一想前面提到的“canali”）。它没法保证正确，但至少为科学家后续的研究指出了正确的方向。 虽然没人能回到几十亿年前，但测定诸如火山或干涸河道之类的地貌的年龄，还是比较容易的。较早形成的表面结构会经历更多的小行星撞击。通过比较不同表面上撞击坑的密度，我们就能编订不同表面区域的年代顺序，并且估计它们的年龄。 有很多其他过程参与了火星表面形态的塑造；在行星形成之后，上述几种用来确定年代的过程是最主要的——撞击、板块运动、火山活动、水流和风。下面让我们来看看这些过程都有怎样的作用。 地球与火星之间惊人的相似火山 同地球一样，火星上也有火山活动。这一点可以轻易地从火星表面的（死）火山和（凝固的）岩浆流看出来。高27千米、宽500千米的奥林匹斯山（Olympus Mons）不仅是火星上最大的火山，而且是整个太阳系中最高的山。它是塔尔西斯高原上一系列火山中最大的一个。从地质学上讲，这个结构与地球上的“热点火山”（并非由于板块活动，而是由于地幔中的岩浆直接上涌形成的火山）——譬如夏威夷岛链——相似。撞击坑计数表明，这个结构表面的不同部分形成于距今1.2亿年到200万年前。这意味着，直到200万年前，火星的表面还有岩浆在流动！ 撞击坑 火星的南半球遍布着撞击坑，就像月球和水星上一样。而赤道附近和北半球则不同：这里的表面结构更年轻，上面的撞击坑就不那么多。因为这里的撞击坑大都被岩浆流、水流或冰川侵蚀了。地球上的侵蚀过程与火星上的类似，不过要快得多，因此在地球的表面已经很难找到撞击坑。  由火星勘测轨道飞行器拍摄的维多利亚环形山图像。维多利亚环形山是一个直径约800米的撞击坑。它受到风的侵蚀，环壁逐渐坍塌，这一点从环形山内部接近环壁处坠落的碎石就可以看出。沙尘暴掩埋了附近的许多小环形山，并且逐渐填平大的环形山。环形山内部的沙丘（如果读者仔细看的话，在图中各处都能找到）十分引人注目。它们的形成方式与地球上沙漠里的沙丘是一样的，也是靠风的吹拂。机遇号火星探测车两年前对它进行探测之后，维多利亚环形山成了火星上研究得最充分的地区。图片来源：NASA/JPL/University of Arizona. 沙漠、沙滩和沙丘 地球上的沙漠是由风塑造的，火星上也是一样。因此，我们可以期待两颗行星上的沙漠有很多相似之处。在这两颗行星上，风都起到：1. 从某地带走一些物质；2. 在另一地堆积这些物质；以及3. 在这过程中侵蚀已有的表面结构的作用。在火星的山与谷的断层中，沙土分成很多层，这表明风曾在火星表面的塑造中扮演过重要的角色。火星的多数历史（环形山、岩浆流、甚至也许有化石）都被深深地掩埋在沙层下面。同地球上一样，风的吹拂会形成各种奇形怪状的沙丘，譬如维多利亚环形山中的那样。  “这样的结构是由谁/什么创造的？”2016年，好奇号火星车传回这幅图像的时候，科学家一定发出了这样的惊叹。这幅照片拍摄的是盖尔（Gale）撞击坑中黑暗的纳米比沙丘（Namib Dune）。沙丘中每座峰宽约3米。这种地貌在地球上也有，但只在大洋的底部。因此，这里也许曾是一片湿润的地带。图片来源：NASA, JPL-Caltech, MSSS 河流与海洋 也许火星表面最惊人的性质莫过于此了：它表面的种种地貌——空荡的河床和海床、沉积物、冰川遗迹——表明，这颗红色的行星上曾经有大量的液态水。火星登陆器和卫星的探测都表明，在火星的表面之下和极冠中，现在仍然存在大量的水冰。《天文爱好者》杂志已经广泛地讨论过火星上的水的问题，因此我在这里从简。对火星上干涸河道的地质学研究表明，它们不是由稳定的水流形成的。它们是大洪水的产物。洪水的来源很可能是塔尔西斯地区地表下的冰层。那时火山变得活跃，加热了地表，于是地下的冰融化，冲向火星表面那些较低的地方，留下了在地图上可以看到的这些有特点的河道和河口三角洲。 峡谷 地球上最大的峡谷是位于美国亚利桑那州的科罗拉多大峡谷。它长达446千米，宽29千米，深达1.9千米。大峡谷是最近500万年，科罗拉多高原抬升之后，由科罗拉多河开凿出来的。火星上最大的峡谷名为水手谷（Valles Marineris），它长达4000千米，宽200千米，深7千米。人们一开始认为，水手谷也是由一条大河冲刷而成的。但是一项审慎的研究表明，水手谷无疑是板块运动的结果（同地球上的东非大裂谷相似）。在主要结构形成之后，山体滑坡、来自附近奥林匹斯火山的熔岩流和水流作用也参与了其形状的塑造。 极冠 火星表面最后一个与地球相似的显著特征是两极的极冠。由于火星现在气候寒冷，这两个极冠都是永久的，但会随着季节的变化消长。两个极冠主要由两千米厚的水冰层和表面一到数米厚的干冰（固态二氧化碳）层组成。 火星表面的谜 这是火星勘测轨道飞行器于201 6年10月拍摄的一幅图像。图像的视野为一千米。图中显示的并非是火星北极的沙丘上长出的树木；科学家认为，它们是春季来临时，火星北极冠的干冰融化后留下的暗带。。图片来源：HiRISE,MRO, LPL (U. Arizona), NASA  另一幅神秘的图像拍摄的是火星南极的一个区域，由火星勘测轨道飞行器摄于201 1年。此时火星南半球进入了春天，干冰开始升华成二氧化碳气体。图中央的环形结构直径约60米，和周围的结构比起来算是小的。这里究竟发生了什么？目前仍不清楚，因为这种现象并不曾在地球上出现。图片来源：HiRISE, MRO, LPL (U. Arizona), NASA  这是好奇号火星车于2016年拍摄的一幅图像。土地看上去有些泥泞。也许对有些读者来说，这没什么特别的，毕竟这样的场面在中国各地的建筑工地上很容易看到。可这是在火星上！这些地表特征是从哪里来的？这片土地过去显然非常湿润和泥泞，也许正是微生物的理想温床。但今天它已变得寒冷而干燥。图片来源：NASA, JPL-Caltech, MSSS  牛顿环形山（陨石坑）边缘的暗带。它们是如何产生的？究竟是什么在往下流？科学家猜想，这些暗带是融化流出的地下冰。今天火星的大气非常稀薄，液态水只能在火星表面存在很短的时间：它们会在流到环形山底部之前蒸发掉。在这些环形山里，这样的暗带时刻都在产生和消失。看来火星上的确有液态水，但数量非常微小，寿命也很短。图片来源：HiRISE, MRO, LPL(U. Arizona), NASA  机遇号火星探测车在火星上发现了蓝莓大小的球状物体。这些小球是如何在火星上产生的？地球上从未发现过这样的东西，因此科学家感到十分惊讶。实验室研究表明，它们是在脏水中凝聚而成的。图片来源：MarsExploration Rover Mission, JPL, NASA 在由二氧化碳蒸发形成的瑞士奶酪样地貌旁边，还拍到了一个大洞。洞口直径约100米。它是怎样形成的？现在仍然是个谜。这个洞和许多其他洞口的存在表明，火星上也有着某种地下洞穴系统。科学家对火星地表之下有什么非常感兴趣，在未来的几年里，我们很有可能看到机器人下到其中一个火星洞穴里去。图片来源：NASA, MRO, HiRISE, JPL, U.Arizona 我们能从中学到什么？我们研究天文学的一个原因在于，我们想了解我们居于其中的这个世界（宇宙），尤其是我们所居住其上的这一个（地球）。科学家已经能够较好地研究地球的历史，但毕竟我们只有一个地球可供研究。行星科学的研究领域则更宽一些。通过研究太阳系内外的行星和它们的卫星，我们实际上能够更好地了解，是什么使我们的地球成为其上所有生命的家园！ （责任编辑 冯 |
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