天文科普:登上火星,我們會看到什麽?
發布時間:2021-04-13
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一個(ge) 多月後

中國火星探測器

天問一號

就要正式著陸火星地表

開啟一段全新的旅程

(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)

天問一號不但寄托著

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人類火星探測任務匯總,製圖@王申雯/星球研究所)

這些探索

已經讓火星的麵貌

變得愈發清晰

 

火星與(yu) 地球幾乎同時誕生

形同姊妹

似乎有機會(hui) 成為(wei) “另一個(ge) 地球

但如今

地球生機勃勃、活力四射

火星卻寒冷幹燥、滿目荒涼

漫天沙塵將天空染成淡淡的紅色

成了一個(ge) 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

究竟發生了什麽(me) ?

為(wei) 何與(yu) 地球命途迥異?

我們(men) 又為(wei) 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(men) 通過這篇文章係統地了解火星的一生

01 碰撞時代

大約46億(yi) 年前

年幼的太陽係裏

塵埃微粒正在聚集

無數石塊、星子、行星胚胎橫衝(chong) 直撞

結合成更大的岩石星球

原始火星

就這樣誕生了

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

緊接著

至少44.8億(yi) 年前

另一個(ge) 行星胚胎與(yu) 原始火星相撞

火星的樣貌從(cong) 此大為(wei) 改變

(火星全球影像,圖中的大型溝壑地貌為(wei) 水手大峽穀,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(wei) 主

地殼較厚

北半球以平原地形為(wei) 主

地殼較薄

人們(men) 稱之為(wei) “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麵,是一個(ge) 人為(wei) 定義(yi) 的曲麵;在地球上,海洋的大地水準麵與(yu) 海平麵重合,製圖@鄭藝/星球研究所 )

此後

一係列大規模撞擊事件

仍然持續不休

又在南高北低的大背景上

製造出一係列巨型撞擊坑

在北半球

若幹個(ge) 巨型撞擊坑彼此相近

碰撞產(chan) 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(wu) 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(yu) 麵積過於(yu) 巨大

登陸其上的人類探測器

幾乎觀察不到任何“坑”的形態

隻有一望無際的亂(luan) 石荒原

故而得名“平原

(1979年維京2號著陸器拍攝的烏(wu) 托邦平原,亂(luan) 石上結滿白色冰霜,這裏也將成為(wei) 天問一號火星車的著陸地,圖源@NASA)

而在火星南半球

大小不一的撞擊坑遍布地表

看起來傷(shang) 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(dong) 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(ge) 青藏高原

(海拉斯平原與(yu) 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(yu) 大約42-37億(yi) 年前

堪稱“碰撞時代”的高潮

 

但從(cong) 距今37億(yi) 年起

巨型撞擊坑基本停止產(chan) 生

中小型撞擊事件則取代它們(men)

繼續為(wei) 火星地表增添疤痕

(請橫屏觀看,好奇號火星車從(cong) 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(cong) 中可以認識撞擊坑的演化曆史,該撞擊坑形成於(yu) 約36億(yi) 年前,直徑150km,圖源@NASA)

縱觀火星的碰撞時代和隨後的曆史

火星上產(chan) 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(ge) 得到確認

直徑超過1km的撞擊坑更是超過了38萬(wan) 個(ge) 遠超地球(火星與(yu) 地球撞擊坑數量對比,製圖@鄭藝/星球研究所)

在地球上

人們(men) 尚未發現直徑超過1000km的撞擊坑

即便是6500萬(wan) 年前

加速恐龍滅絕的希克蘇魯伯撞擊事件

也僅(jin) 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(yu) 南非的弗裏德堡撞擊結構

形成於(yu) 20.2億(yi) 年前

原始直徑僅(jin) 有約300km

如果放在火星上

隻能位列第三梯隊

(南非弗裏德堡撞擊坑地形,製圖@鄭藝/星球研究所)

 

但這並不意味著

地球比火星經曆了更少的撞擊事件

而是因為(wei) 地球有著

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(wei) 例

原本300km直徑的撞擊坑

在經過了20多億(yi) 年的破壞後

僅(jin) 留下直徑約80km的中央丘陵區

我們(men) 已無法看出它原本的規模

(撞擊坑破壞示意,地層抬升會(hui) 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(men) 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(men) 同樣會(hui) 被快速“磨平”

(請橫屏觀看,巴林傑撞擊坑,形成於(yu) 約5萬(wan) 年前,直徑僅(jin) 有1.19km,圖源@視覺中國)

 

正是這兩(liang) 種力量的強弱差異

改變了地球和火星的麵貌

在火星的大部分曆史中

地質運動和雨雪風霜並不活躍

不僅(jin) 使40多億(yi) 年前的巨型撞擊坑得以幸存

更使為(wei) 數眾(zhong) 多的中小撞擊坑一並保留

(火星維多利亞(ya) 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(jin) 僅(jin) 是碰撞對火星外表的改變

更加深遠的改變

發生在火星內(nei) 部

撞擊產(chan) 生的能量

使火星內(nei) 部變得活躍異常

開啟了塑造火星的第二個(ge) 時代

02 火山時代

至少40億(yi) 年前熔岩開始從(cong) 火星地下大規模噴出宣告了火山時代的到來(請橫屏觀看,火星火山分布圖,製圖@鄭藝/星球研究所)

在火星的赤道附近

不斷噴發的火山

令熔岩在地表反複流淌

竟然形成了一個(ge) 占火星表麵積約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麵,是一個(ge) 人為(wei) 定義(yi) 的曲麵;在地球上,海洋的大地水準麵與(yu) 海平麵重合,製圖@鄭藝/星球研究所)

四座海拔14000m以上的巨大火山成為(wei) 高原的“中流砥柱”

其中西北部的奧林匹斯山

海拔達到21229m

是太陽係中最高大的單體(ti) 火山

(奧林匹斯山影像,顏色表示海拔,圖源@NASA)

它們(men) 遠高於(yu) 地球上任何一座山峰

即使從(cong) 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(jin) 有9300米

依然相形見絀

(請橫屏觀看,火星奧林匹斯山與(yu) 部分地球山峰對比,製圖@漢青/星球研究所)

從(cong) 宏觀的角度這些火山的龐大體(ti) 量冠絕整個(ge) 太陽係使人類感到陌生甚至恐懼但從(cong) 微觀的角度形形色色的火星火山地貌卻又與(yu) 地球的火山地貌頗為(wei) 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(wei) 黑白照片且無比例尺,圖源@NASA)

與(yu) 地球活火山周圍一邊流動一邊冷卻的熔岩有著類似的外觀(夏威夷熔岩流表麵的繩狀外觀,規模小於(yu) 上圖火星地表的繩狀結構,但二者成因類似,圖源@視覺中國)

當熔岩的表麵逐漸冷卻

轉入地下的管道流動

還會(hui) 在火星上形成龐大的地下洞穴體(ti) 係極易坍塌成線性峽穀或連續坑洞(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(chan) 生了蠕蟲一般的坑道或線性排列的橢圓坑洞廣泛分布在火山四周(火星奧林匹斯山附近的熔岩管道,不同時期噴發產(chan) 生的管道彼此疊加、切割,坍塌成斷續的坑道,原圖為(wei) 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(yi) 年前從(cong) 那之後火山噴發變得更加斷斷續續規模也大為(wei) 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(wan) 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著潺潺的流水

03 流水時代

在火星誕生之初水分子與(yu) 塵埃共同匯聚大量的水被“封禁”在星球內(nei) 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溫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(jin) 產(chan) 生大量的火山灰,也會(hui) 將巨量的水蒸汽釋放出來,圖源@視覺中國)

迄今為(wei) 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,直徑若幹毫米,圖源@NASA)

它們(men) 是火星古代地下水的傑作與(yu) 美國猶他州沙漠裏散落遍地的“摩奇石球”有著基本相同的成因(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係列化學變化後不穩定的鈣質結核轉變為(wei) 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(yu) 脫落示意,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(jin) 有被流水打磨圓潤的卵石(蓋爾撞擊坑內(nei) 高度磨圓的小卵石,形成於(yu) 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(wei) “交錯層理”,是流水堆積砂粒產(chan) 生的痕跡,底圖@NASA,標注@雲(yun) 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(ti) 中常可以找到古代河流留下的紋理(樂(le) 山大佛砂岩交錯層理示意,樂(le) 山大佛開鑿於(yu) 丹霞山體(ti) 上,砂岩裏可見密集的交錯層理,它們(men) 是流水堆積砂粒產(chan) 生的痕跡,攝影師@李瓊,標注@雲(yun) 舞空城&漢青/星球研究所)就這樣

人們(men) 根據對地球地貌的認識

與(yu) 火星的地表現象進行對比

推演出屬於(yu) 火星流水時代的

溪流匯聚、江河奔湧、波濤拍岸

大約40億(yi) 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(ce) 的瓦伊格穀河道係統,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穀長度動輒達到數千千米深度亦常有數千米(水手穀和卡塞穀地形示意圖,部分學者認為(wei) ,卡塞穀可能由熔岩而非液態水流動產(chan) 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(men) 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(nei) 它們(men) 轉變為(wei) 岩石後又從(cong) 強烈的風化破壞過程裏幸存在地表凸顯出來(伊奧利亞(ya) 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(nei) 蒙古呼倫(lun) 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(yu) 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,標注@漢青/星球研究所)更多的三角洲

則分布在北方大平原周圍

似乎在暗示

一個(ge) 古老的火星海洋

曾占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(wei) 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圖,製圖@鄭藝/星球研究所)

但不同於(yu) 地球

火星的江河湖海沒有持續到今天

大約25億(yi) 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

流水幾乎不複存在

隻有一些殘留的水冰

分布在部分撞擊坑、兩(liang) 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)

究竟發生了什麽(me) ?為(wei) 什麽(me) 火星經曆了碰撞時代的動蕩不安經曆了火山時代的烈火熔爐經曆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(men) 或許可以從(cong)

地球與(yu) 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

年複一年地噴薄岩漿將地球內(nei) 部的物質不斷帶到地表更新地球表麵的大氣、水和岩石(印尼婆摩羅火山,印度尼西亞(ya) 的群島是板塊運動產(chan) 生的火山島鏈,火山活動極為(wei) 頻繁,攝影師@Tony Wang)

延綿數千千米的線性山脈在地質曆史中起起落落共同見證著地球板塊運動的生生不息(太空中俯瞰喜馬拉雅山脈,畫麵左側(ce) 為(wei) 中國方向,右側(ce) 為(wei) 印度方向,圖源@NASA)

但在現代火星上人們(men) 幾乎找不到類似的地貌這裏的火山分布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隻有位於(yu) 水手穀南方延綿2000km的陶馬斯高地呈現出一定的線性特征

不排除是古代火星板塊碰撞的痕跡(火星與(yu) 地球地形對比,標注了主要線性山地、火山帶和洋中脊,製圖@鄭藝/星球研究所)

或許在40多億(yi) 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(jin) 僅(jin) 是因為(wei) 火星的身材太過嬌小

(地球與(yu) 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(nei) 部衰變產(chan) 生熱量

也難以留存碰撞時代遺留的熱能

內(nei) 部冷卻程度遠甚於(yu) 地球

以至於(yu) 無法支持活躍的板塊運動

這一差異改變了兩(liang) 顆星球後來的曆史由於(yu) 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(yi) 年的光陰留存至今(歐科斯環形山,火星表麵最古怪的地貌之一,可能由小行星撞擊產(chan) 生,圖源@ESA)

由於(yu) 缺少板塊的橫向運動源於(yu) 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(hui) 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(liang) 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(yi) 年前

或許是因為(wei) 火星地核溫度太低

或許是因為(wei) 某次撞擊事件幹擾了地核

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(yi) 年前

火星的巨型火山活動漸漸減弱

內(nei) 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

氣壓和溫度雙雙下降

液態水凍結在兩(liang) 極附近的地表和地下

偶爾升華產(chan) 生的水蒸汽

也會(hui) 很快被太陽風破壞帶走

從(cong) 火星消失

(請橫屏觀看,火星北極冰蓋,由水冰和幹冰構成,圖源@ESA)

氣溫繼續下降

就連二氧化碳也被凍結

形成厚重的“幹冰”冰蓋

(火星南極附近的地表幹冰實拍,與(yu) 紅色的泥沙混合在一起,圖源@NASA)

狂風在地表呼嘯

卷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(chan) 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(wei) 人工添加的假彩色,圖源@NASA)

火星的死亡時代從(cong) 距今25億(yi) 年前延續至今整個(ge) 星球的表麵陷入沉寂隻有偶爾飄過的幾縷白雲(yun) (火星的稀薄雲(yun) 層,由機遇號拍攝,圖源@NASA)

和動輒席卷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(ge) 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蕩與(yu) 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(ge) 地球”

人類的火星探索打破了火星持續數十億(yi) 年的沉寂隨著人類越發了解火星並將火星的一生與(yu) 地球的一生進行對比時才體(ti) 會(hui) 到地球的與(yu) 眾(zhong) 不同

地球有著足夠大的身軀至今仍維持著活躍的地核運動產(chan) 生出強大的磁場保護著大氣層不受太陽風侵襲以適當的壓力和溫度嗬護著地表的一切(冰島極光,極光是地球磁場將部分太陽風粒子引導至兩(liang) 極附近後,轟擊大氣層產(chan) 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(yi) 年的時間裏維持著生生不息的板塊運動不斷重塑地球的表麵

它令高山起落不定(請橫屏觀看,遠景的喜馬拉雅山脈與(yu) 中景的岡(gang) 底斯山脈同框,攝影師@孫岩)

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(新疆伊犁河穀,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(yu) 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(wei) 人類生機勃勃的家園更成為(wei) 整個(ge) 太陽係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(yun) 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(cong) 某種意義(yi) 來說地球的姊妹星火星是人類認識地球的一個(ge) 裏程碑也是死去的“另一個(ge) 地球

而在經曆了61年的探索後火星仍然隱藏著許多奧秘我們(men) 已經獲取的火星星空体育官网入口网站也仍有許多還是科學猜想等待著今天的我們(men) 去繼續解讀繼續驗證繼續與(yu) 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)

而在火星之外太陽係還有著眾(zhong) 多的岩石星體(ti) 它們(men) 也是地球的兄弟姐妹也與(yu) 地球有著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(hui) 繼續探索它們(men) 的故事從(cong) 中挖掘出更多地球的與(yu) 眾(zhong) 不同隻有這樣我們(men) 才能更好地理解腳下的藍色地球為(wei) 什麽(me) 是人類無與(yu) 倫(lun) 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(men) 的視野帶向更遠的星空,攝影師@Tea-tia)

本文創作團隊

主筆:雲(yun) 舞空城

編輯:所長

圖片:潘晨霞

地圖:鄭藝

設計:王申雯&漢青


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