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□ 刘 茜 大约50亿年前，银河系内的一团尘埃云迈过了密度的临界点，突然开始变化。原本极其缓慢的收缩变成了相对迅速的坍塌，大量的气体向星云中心凝聚，而密度更大的尘埃颗粒则被星云的自转安置到了自转的赤道盘面上。太阳系的雏形得以形成：中心的大团气体即将形成原始的太阳，而周围环绕的物质组成了圆盘状的结构，也就是“原行星盘”。 从宇宙的角度来看，这个过程发生得异常迅速，只用了“区区”一百万年，和太阳一百亿年的寿命相比只是微不足道的万分之一，按人类寿命的比例折算的话，只相当于短短的三天。一场波澜壮阔的史诗就此拉开序幕，同样类型的史诗至今仍在宇宙的各个角落不断上演，但这一幕对我们格外重要：地球和它的伙伴们，即将——在短短的一千万年内——从同一团尘埃和气体中诞生其雏形。形成时与太阳的距离决定了它们的物理特征和化学组成，但接下来还有进一步的雕琢等待着它们。 图1 40多亿年前，彗星和小行星纷纷撞向新生的行星们。（NASA/JPL-Caltech） 这和我们所知道的地球年龄并不矛盾：在接下来的4亿年里，行星们——特别是由岩石构成的那些——遭受着连绵不断的小天体撞击，不管是原始的地球还是原始的火星，其质量、大小和组成都尚未定型。不断有新的星子、行星胚胎和彗星与其相撞并融为一体，让行星不断成长，并为行星带来了绝大部分的水。我们所知的这类撞击的最高潮是在大约45.2亿年前，一颗推测与火星大小相似的天体撞上地球，在它与地球融为一体的同时，撞击溅出的物质飞向太空，形成月球。稍稍在此之前，最古老的岩石从岩浆中冷却结晶，真正意义上的地球得以形成。那是在46.7亿年之前，而火星的形成和冷却通常被认为更早于此。更小的质量暗示了更短暂的成长阶段，有的天文学家认为火星可能从未像地球那样与另一个足够大的行星胚胎相融合，因而在短得多的时间内完成了成长；而一颗质量和体积相对较小的行星，冷却起来自然也要快得多。木星的引力可能也影响了类地行星的形成速度：根据放射性元素的测定结果，距离木星最近的小行星形成最早，接下来是火星，然后才是地球。因此火星虽然质量较小，从年龄上看，却不折不扣是地球的兄长。 图2 刚刚诞生的火星是黑色的。不断的小天体撞击让它保持热度。（NASA/JPL-Caltech） 在诞生的初期，火星表面弥漫着沸腾的岩浆海洋，深度可能达到几百千米。加热岩浆洋的是行星深处放射性元素的衰变和猛烈撞击带来的能量，这足以让整颗星球达到高温熔融状态。与此同时，行星外层还包裹着与生俱来的原始大气，那是在行星形成阶段残留的来自原行星盘的气体，成分以氢和氦为主。这层大气很快被新生太阳的狂暴星风撕裂和清除，和内太阳系的一切其他挥发性物质一起被驱逐到行星盘外。随后的早期大气来自岩浆活动，从行星内部喷出，主要成分是水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氯气、氢气、氮气、氩气和氨气。毋庸置疑这是一层还原性的大气，也是高效的温室气体，裹在熔融状态的行星外，很快就能达到极高的温度。这层高温气体向太空散发出强烈的红外辐射，帮助行星表面快速冷却下来。 随着行星的冷却，熔融的岩浆洋开始析出结晶，形成岩石。对不同的天体来说，由于物质组成的区别，在这个过程中会有各自不同的经历。比如月球由于质量较小，在同样深度的岩浆洋中压力也比较小，导致岩浆黏度低，轻的矿物在析出之后向上浮到岩浆洋表面，最后就形成了大片由较轻的岩石构成的月陆。而火星的岩浆黏度大得多，在火星岩浆中析出的矿物则会向下沉积，堆积在岩浆岩底部。和地球岩浆最大的区别是，火星岩浆中铁的含量更高。虽然构成火星岩浆洋的基本成分都是铁镁质硅酸盐，但是随着温度的降低，先析出的是含镁量较高、密度较小的矿物，后析出的是含铁量较高、密度较大的矿物。这样的后果是让星幔“头重脚轻”，重心严重不稳。于是在大约45.2亿年前——正好是在月球形成的同时，火星发生了一次“内外翻转”，原本位于星幔上层的物质沉到了底部，而原本位于底部的物质被推挤上升。这就像是你用力搅拌一锅粘稠的糖浆，锅里的物质会发生复杂的混合，不再有清晰的分层。同时，底部原本已经凝固的物质在上升的过程中压力变小，因此熔点变低，重新变为熔融状态——这个过程和地球上的火山爆发差不多，不同的是在当时的火星，这是一个遍及全球的事件。 图3 火星表面的风蚀地形。（NASA/JPL-Caltech/University of Arizona） 大量的岩浆喷出火星表面，再次冷却凝固，构成了火星星壳的组成部分。这比地球上最古老的成片陆地早整整1亿年，并且有实物为证：著名的火星陨石ALH84001，就是曾经盛传从其中发现了“火星细菌化石”的那一块，同位素年龄测定给出的结晶年龄是45亿年；而已发现的最古老的地球岩石位于澳大利亚西部，是一片锆石晶体，年龄测定为44亿年。这也是类地行星们在外观上空前统一的时代：除了在大撞击中被摧毁了整个岩石外层的水星之外，金星、地球和火星看上去都极其相似。金星并不是明亮的橙黄色，地球也没有标志性的蓝色调，而火星，距离它获得那层著名的红色外衣，还有数亿年的时间。它们此时全都是一个颜色：黑色。这是岩浆凝固后的岩石颜色。 图4 40亿年前的火星（NASA/GSFC） 早期的火星作为个头较小的兄长，在演化道路上似乎一切都比地球先行一步：更早形成星核，更早分离出星幔，更早形成陆地。在40亿年前，它的外表包裹着足够浓密的大气，在火山活动中涌出的水蒸气形成大量降水落回行星表面，而液态的金属核也为整颗行星提供了全球性的偶极子磁场，甚至在早期还可能经历了一定程度的板块运动。毋庸置疑它也比地球先一步达到了液态水能够存在的温度。现在科学家们相信，火星在40亿年前曾经有过大片的海洋，这有大量的地质结构和矿物分布为证。通过比较地球上的火星陨石和勇气号火星车探测的火星表面岩石，牛津大学的一些科学家甚至认为40亿年前的火星曾经拥有过富氧的大气——比地球早了整整15亿年。当然，地球大气中的氧来自生命的光合作用，而火星大气中的氧则更可能来自行星内部：它在形成的时候，就比地球拥有更多的氧化物质。总之，假如有一名地质学家试图搭乘时间机器穿越回远古研究地球环境，却不小心来到此时的火星，可能很难迅速察觉自己来到了错误的星球。 这个时期的火星，风华正茂，热闹非凡。它刚刚迈进其地质年代划分的“诺亚纪”（41亿～37亿年前），一次巨大的撞击在不久之前导致了它南北两个半球截然不同的样貌：北半球主要由低地平原构成，而南半球则广布高地。撞击坑的面积是亚洲、欧洲和大洋洲的总和，在覆盖了厚达七八千米的沉积物之后，南北半球之间的平均海拔差仍然足有4千米，以至于当时的火星北半球几乎全被海洋占据。在与撞击形成的希腊盆地相对的另一侧，塔西斯高原产生巨大的隆起。未来这里将会形成全太阳系最大的火山和火山群，并且火山活动将会持续将近40亿年，直到两亿年前才会停止。这时也是火星上火山作用最剧烈的时期，单单是塔西斯高原上的巨大火山群，就足够把整个火星表面淹没在两千米厚的岩浆下。 抛开剧烈的火山活动和它们喷出的有毒气体不提，再忽略掉此时正处于太阳系“大轰击时期”的尾声，不断有小天体撞击到火星表面上之外，诺亚纪的火星环境空前绝后地温和友好。遍布全球的液态水侵蚀着地表岩层，形成大量的沉积地层和黏土矿物，峡谷网络也在此时形成。40亿年前的太阳比现在至少要暗15%，在火星的位置阳光将更为暗弱，但大气层比现在浓密400倍，温室效应足以保证星球表面的温度。这是火星短暂的黄金期，足够温暖，足够湿润，表面有海洋、湖泊和河流。要知道，地球在达到同等条件之后没多久就产生了最早的生命，而火星在这样的情况下保持的时间，比地球用来诞生生命的时间要长好几倍。 在诺亚纪的末段，发生了两件改变火星命运的巨大转折。第一个转折是火星核“发动机”的停摆，让火星在39亿年前失去了自己的全球偶极子磁场。这个磁场曾经在太阳风的撕扯下保护着火星大气，让这颗行星能够以较小的质量保留住足够厚的大气层。在磁场消失之后，太阳风剥离了火星大气，宇宙射线和紫外线毫无遮挡地冲击地表，然后水资源逃离到空间中和地表下，火星几乎是在地球出现生命曙光的同时彻底告别了温暖湿润的面貌。磁场消失的具体原因还不清楚，但必然是由火星内部的热对流变化影响导致的。第二个转折也和火星内部的热对流变化有关，那就是火山活动的减弱。曾经可能存在的板块运动到此为止，火星将在未来的漫长时间里越来越不活跃，变成一颗外表长期缺乏变化的行星。这也正是火星拥有太阳系内最大型火山的原因：在缺乏板块运动的情况下，来自地幔的岩浆总是从同一个地方涌出行星表面，朝四周流淌并凝固，火山也就因此不断长大，最终成为高度三倍于珠穆朗玛峰、底盘面积足够覆盖一个云南省的巨型盾状火山。大约在1亿年前，火星几乎彻底停止了火山活动，奥林匹斯火山虽然在理论上还是一座活火山，但也已经有1亿年没有爆发过了。 图5 火星南极极冠里的干冰。（NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona） 图6 2014年抵达火星的MAVEN号探测器证实，太阳是剥夺火星大气的主要原因（GSFC/NASA） 不管是发动机的停摆，还是内部的冷却，这都是由火星自身的较小质量决定的，太小的体量决定了其内部的热量不足，无法像金星和地球那样长期保持地质活跃。大气的散逸和火山的平息共同导向一个结果，那就是火星开始大量丢失水。不光是大气水和地表水，就连原本包含在星幔中的水，也因为缺乏板块作用，无法达成物质循环而“有去无回”。在接下来的地质年代“西方纪”，典型的地形特征已经不像是诺亚纪时那种明显由超大洪水形成的沟渠，而是类似于地球上干旱地区内陆河一样的河床，地表的侵蚀率也大大降低，证明在行星表面流动的水已经大大减少。它们一部分散失到了空间中，另一部分可能由于温度的降低而冻结到了地下。寒冷和干燥总是并肩到来的——这就像地球的南极高原上覆盖着巨大的冰川，但它仍然是地球上最干燥的地区之一那样。寒冷的原因是火星失去了太多的二氧化碳，这是它在演化上和地球分道扬镳的一大标志：地球曾经和火星一样有着极其浓密的二氧化碳大气，在植物大爆发的泥盆纪之前，地球大气的二氧化碳含量是现在的18倍，但在温暖潮湿的环境和大量植物的共同努力下，这些二氧化碳要么形成碳酸盐岩石，被固定到地表，要么进入生物体，又随着生物尸体的被掩埋被固定到化石燃料中——我们如今使用的煤、石油、天然气，其中的碳就是几亿年前植物们从大气中固定下来的。 碳元素在地壳、海洋和大气间稳定循环，这是地球环境始终保持对生命友好的关键因素。火星则一开始就很难形成碳酸盐，它在形成时离太阳更远，化学组成里有太多的硫，大气里二氧化硫的含量太高，优先与地面的岩石进行反应，所以现在火星表面到处能找到硫酸盐矿物，碳酸盐矿物则要少得多。等到温暖湿润的环境消失，也就来不及再把二氧化碳固定到地表，只能任由它要么冻结到极冠里，要么消散在太空中。星球表面新形成的矿物由黏土矿物变为蒸发岩，地表的风化也从有水参加的化学风化变为风蚀和搬运为主的物理风化。损失掉这层还原性大气的另一个副作用，是火星表面的氧——不管是来自行星内部还是来自水的光解——迅速和富含铁的地表岩石反应，让火星变成了一颗红色的星球。 图7 奥林匹斯火山底部附近的熔岩流遗迹。（NASA/JPL-Caltech/University of Arizona） 从那之后直到今天，火星的外貌几乎没有大的改变。30亿年如一日的寒冷、干燥与荒芜，也许有地下水网络在悄悄流动，在某些季节还有少量水涌出地表，但也仅此而已。火山活动倒是并没有完全消失，迟至1亿年前还有过火山活动，但当然早已不复诺亚纪时的盛况。不时有天外来客到访，或者自家的地表遭到撞击，向太空飞溅出碎屑，然后这些碎屑在行星际空间漫游过不知多长时间之后落到另一颗星球上。实际上，这才是火星和地球间的主要物质交换方式：到现在为止，人类向火星发射的各种探测器，连坠毁在火星表面上的一起算上（不久之前，欧空局的斯基阿帕雷利号登陆舱刚刚不幸地宣告失败坠毁）也才200吨左右分量，而在过去的40亿年间，可能有5000万块一米级别的地球岩石被送到了火星上。这还是因为地球的质量更大、逃逸速度更大，同时朝向太阳系外侧的飞行比朝向内侧的飞行更难的缘故：从火星来到地球的岩石数量更大，过去40亿年间可能有几十亿块，即便到了现在，平均每年也有半吨。当然，将会续写火星传记的并不会是这些岩石，恐怕也不会是这颗行星本身的活动，而是地球人类未来的登火行动。作为在物理条件上和距离上都格外接近地球的天体，人类从来没有放弃过把它作为第二栖息地的野心。未来对火星的探测、利用和改造，会在多大程度上改变这颗星球的面貌，我们不妨拭目以待。 图8 根据地球情况模拟的火星上盖尔陨石坑的沉积岩情况。左起：干燥时期；融雪形成河流；后续干燥时期河流消失，露出沉积岩。（NASA/JPL-Caltech） |
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