火星上的水

火星之水？再次发现？

从前我们未曾发现火星之水吗？过去二十年里，美国宇航局（NASA）曾经多次宣布“在火星上发现了水”，以至于一些报刊编辑不想让撰稿人再炒作这个话题了。如今，每个人都能轻而易举地聚焦火星上的水：通过一架小型天文望远镜，你就能在火星上直接看到它。白色的火星极冠和稀薄的蓝白色火星云，其主要成分都是水冰。

实际上，在太阳系中，水无处不在。外行星的卫星、彗星和海外天体主要都是由水冰构成的。在小行星和岩质行星上，也有水合矿物。甚至在月球和水星的表面也有水冰。如果水在太阳系中普遍存在，那么，为什么我们对于火星之水情有独钟呢？

这是因为，绝大多数人感兴趣的并不是水冰、水合矿物质，或者密封于厚厚冰壳下的高压地下水。我们想要的是会流动、会产生漩涡、会蓄积、有侵蚀能力、有溶解力、具有化学活性的液态水。在火星上，水曾经制造雨雪，曾经奔流，曾经侵蚀山体、填充谷地，曾经发生化学反应，曾经将沉积物粘合为岩石，除了地球，火星是水有过所有这些活动的唯一地方。火星上的沉积岩保存了数十亿年前的水活动的证据。

但火星不是地球，那里还有许多关键性的未解之谜。火星上的液态水是否能让海洋存在数百万年甚至更久？火星水的存在是否曾给予生命诞生的机会，甚至使之一度繁盛？如果火星上曾经有过液态水，而我们却不能找出火星生命的存在证据，这又意味着什么？这些疑问已然成为当代火星探测活动的推动力。

无处不在，却不可饮用

由于严寒和极度干燥，今天的火星绝非生命宜居之所。它的大气压很低（不到地球海平面的1%），因此火星表面如果有一个盛水的开口容器，在水冻结以前，就会迅速沸腾蒸发。然而另一方面，在火星上处处都能发现水的踪迹，而且不仅局限于两极的极冠。

火星上残余的水都藏于地下，冻结成覆盖全球的冰层。在许多地方，冰位于地表下很深处，但在巨大的北方低地平原，冰层就在地下几厘米。地表的多边形构造显示了它的存在。NASA的“2001火星奥德赛”轨道器提供了更多的火星近地表水冰的证据，它在火星土壤最浅层的一米深度中探测到了大量被掩埋的氢元素。

这一发现促使NASA在2007年向火星发射了“凤凰”号着陆器。着陆后第五天，“凤凰”号的机械臂拍摄了支脚下方的地面，科学家们发现制动火箭的喷流已经使一块明亮的水冰暴露了出来。尽管“凤凰”号项目团队早就预期会发现一些水冰，但看到这样一块明亮的纯净冰，他们还是感到大喜过望，因此将其命名为“Holy Cow”（意为“哇塞”、“太好了”）。

此外，NASA的“环火星巡逻者”轨道探测器（MRO）也发现了18处新陨坑，它们的中心有着纯净新鲜的水冰，泛着蓝白色的光芒。当数月或数年后再度观测时，那些冰要么已经挥发，要么被落下的尘土所覆盖。

在火星的北方平原，地下冰无处不在，假如科学家们早些得知这一情况，NASA的“海盗”2号着陆器（1976年9月在火星的北纬48度着陆）本有机会对火星水进行科学考察。如果当时控制“海盗”2号再向下挖掘10厘米，也有可能发现水冰。飞越了数亿公里的旅程，却或许止步于最后10厘米，地下冰的发现由此被延迟了四分之一个世纪！

其它一些火星地貌也暗示在很浅的地表下就埋藏着水冰。在南北高纬地区，都密布着冰碛（冰川堆积物）、冰核丘等冰川地貌。我们很难了解它们现在是否还在活动，但是在这些地貌上陨击坑相对较少，这意味着，直到地质学上很近的时期，冰川还在运动。

不过，找到液态水存在的证据则远非易事。年复一年，我们在峡谷和陨坑的面向赤道的峭壁上都能看到有小型的沟渠构造出现。它们是被奔流而下的溪水所凿刻成的吗？并非所有科学家都认可这一点。有人推测，它们所出现的地点都是富含盐分的土壤令水的冰点降低，使冻土在更低的温度下融化为盐水的地方。最近的研究则显示，对于这些沟渠，盐水并不是必需的。它们仅仅在最顶层土壤处于或高于纯水的冰点时，才会向外蔓延。然而，纵使这些沟渠代表了火星上目前的液态水来源，它们的存在也过于短暂、规模过于微小，其中的溪流或许盐分过高，因而不可能是生命的乐土。

更湿润的过去

古代火星与今日大有不同，但其遗迹随处可见。与月球和水星相似，火星上也有很多远古的陨击地貌，大多集中于南半球，那里的陨击坑数量巨大、相互重叠。整个早期太阳系都经历过一段被无数横冲直撞的小行星和彗星狂轰滥炸的坎坷岁月，这些陨击坑就是那段历史的见证。

但是分别抵近观察月球、水星和火星，你会发现它们此后的历史显得截然不同。月球的陨击高原自形成后，历经亿万年始终如一。在水星上，由于不计其数的火山喷发以及随后星体收缩时产生的褶皱，陨击地貌已荡然无存。而在火星上，南方高地的陨击地貌则被密布的河谷切割得支离破碎。

乍看之下，火星的河谷网络很像地球上的水系。但通过研究“海盗”号的近距离图像，却发现它们在地质上似乎非常原始。这些河谷很少有枝杈，而且有一些大面积区域根本就不存在河谷。许多地质学家推测，这些河谷网络是地下水的偶然溢出造成的。或许，罕见的大规模撞击会临时增厚火星大气层，导致温室效应，使气温升高、降雨增多、洪水泛滥，这种状况持续数年，然后大气再度变薄，使得火星恢复原先寒冷、干燥的状况。

但是新的观测数据改变了这一观点。根据“火星奥德赛”的图像绘制的地图显示，这些河谷实际上相互连接，构成了枝杈密布的水网，最小的水道溯流而上，可直抵分水岭上的流域边沿。与地球上的河网水系相比，火星水网的复杂性毫不逊色。尤为引人关注的一点是，绝大多数河谷网络或许都形成于两亿年内，这段时间范围在地质学尺度上并不长。而且这两亿年相当晚近——远在火星遭受大部分巨型撞击事件的38亿至36亿年之后。因此，形成这些河谷的暖湿环境的根源并不是撞击事件。

启动水循环

气候学家们在解释温暖、湿润的早期火星时，遇到了“暗弱的年轻太阳”悖论。根据恒星演化模型，年轻的太阳应当比现在暗弱30%，但是产生的紫外线更多，会剥离掉火星的富二氧化碳的大气。假如河谷网络确实是在主要撞击事件后的晚近时期才形成的，那么从时间上说也应在太阳开始增亮之后。

巨大的Tharsis火山群有可能帮助提高了火星的湿度。Tharsis地区是一个极其巨大的地质构造带，由相互重叠的火山和熔岩流历时数十亿年而形成。随着撞击事件的减少，火山活动逐渐在火星地质中占据了主要地位。这两个地质时期的界限被认为是大约38亿年前。在火星的整个中古时代，火山活动向大气中排放了巨量的气体，主要是水蒸气、二氧化碳和二氧化硫。在太阳增亮导致火星升温时，这些气体可能导致了火星大气增厚。

在Tharsis火山群的喷发时期，火星大气的增长速度超过了太阳对它的破坏速度。水开始以雨雪的形式降下。在降雨和雪水融化的地区，奔腾的水流都会侵蚀火星的土壤。夹杂着沉积物的流水迅速地侵蚀本来就已遭到撞击事件和高度干旱所重创的环境。水流搬运着沉积物。陨击坑被流水填满，形成湖泊，例如古谢夫（Gusev）环形山和盖尔（Gale）环形山。接着积水溢出陨击坑，在更低洼的地域奔流泛滥。水流最终抵达并填满了北方的巨大低洼盆地，形成海洋。这时，就形成了活跃的水循环。蓄满水的盆地使大气变得湿润，当水蒸气被输送到高空，温度降低时，又以雨雪的形式降落。

北方海洋是否曾经存在过？在北方低地的四周，有一些关于海岸线的有力但不确凿的证据——斜坡上的大量缺口。地貌学家们已经在河谷的末端标绘出了一些类似河口三角洲的沉积区，并发现其中大部分处于同一高度——这是这些河谷都曾向同一片海洋倾斜流水的迹象。但很多科学家对此并不认可。火星上是否曾经长时间存在过一个北方海洋？这依然是一个聚讼纷纭的热点问题。

逝去的乐园

即使火星曾是生命的乐土，它的宜居环境也早已消失了。随着时间推移，河谷网络的活动已然衰落。由于星体核心冷却和固化，或许曾经有过的磁场也衰退殆尽，而早期的浓厚大气也已被太阳风所剥离。流水侵蚀产生的地貌从河谷网络转变为一种完全不同的形态——外流水道。外流水道是极为巨大的，最大可达150公里宽、2000公里长——它们肯定是巨量的水以灾难性的方式释放而产生的。它们大多形成于火星的中古时期，但有少数几条形成于地质学上很近的年代。

与河谷网络不同，外流水道可能需要在严寒的气候下形成。地下冰形成了一个很厚的低温层，它可能埋藏了大量的液态水并给予其压力。一次撞击事件或者火山岩浆的地下喷发都可能突然在冰层中破开或融化出一条笔直的通道，使等于一个巨型地下湖的高压地下水直奔地表。在火星的南方高地，这种图景尤为可信：形成了陨击坑的撞击事件撕裂了基岩，使其变得具有很高的渗透性，既能够储存大量的水，也能够以洪灾的方式将水突然释出。这种洪水或许曾暂时性地填满了火星的北方盆地，但液态水的存在时间并不长。仅仅几年之内，水就有可能回渗到地下并被冻结，或者蒸发入大气，大气中的水会以雨雪甚至冰的形式降落，最终再度被锁入低温层。

NASA的探测车已经发现了一些迹象，表明在温暖、湿润的气候终止后，火星仍在继续制造沉积岩。“勇气”号看到的所有沉积岩，以及“机遇”号看到的绝大部分沉积岩，都形成于火星最久远、最湿润的时期之后。沉积岩通常都需要一些水才能形成。在许多火星沉积岩的矿物质晶体结构中，都含有水分子或者氢氧基离子。是什么使这些物质沉积，然后使之粘结在一起？答案或许与火星的气候变迁息息相关。

火星上的米兰科维奇循环

地球气候有着以数万年为时间尺度的冷热波动，即米兰科维奇（Milankovic）循环，它是以塞尔维亚科学家Milutin Milankovic命名的，20世纪20年代，他发展了这一概念。地球自转轴的倾角，以及轨道的偏心率和进动，都会发生小幅度的变化，这就会在不同的历史时期影响到不同纬度不同季节能够有多少太阳能量抵达地面。米兰科维奇循环对于地球气候有显著影响：碳、氧同位素的含量，植物活动，冰川的前进和退却，都与米兰科维奇理论所预言的太阳热量变化情况有强烈关联。

火星上有更极端的米兰科维奇循环。火星的轨道会变化，它的远日点距离比近日点距离要大50%。火星也没有一颗巨大的卫星来稳定其自转轴指向，有时候它的自转轴倾角会接近水平。目前火星的自转轴倾角仅有适中的25度，实际上这种情况并不常见。在更多时间里，火星的自转轴倾角是较高的40度至50度。在这些时期，火星上的大部分地区都会在半个火星年中几乎接连不断地被阳光烘烤，另外半年则陷入黑暗。在这样的条件下，极冠根本无法存在，而在赤道带上，则以年度为周期生成水冰。气候变化将火星上的冰冻水库在两极和赤道之间来回搬运。有时候，环境条件可以使地下冰比平时流动得更快，从而在高纬度地区形成一些冰川边缘地貌。

有时候，在比今天稍微温暖一些的环境下，赤道附近的积雪会融化，形成短时间的水流。这种情况只会发生在米兰科维奇循环的短暂间歇期中，此时火星自转轴的倾斜度很大，轨道偏心率接近最大值，而且春秋分点恰好与远日点、近日点排成一线。这时，也仅有这时，在短暂的几星期时间里，每天都有少量的雪水融化，滴落到土地中，大部分都会冻结，或者在昼间蒸发。

火星上，易被风吹起的松软尘土富含可溶性矿物质，例如硫酸盐和氯化钠。短暂的湿润期会使这些矿物质溶解，使沙粒和粘结剂胶合在一起。火星疯狂的轨道运动会出现短暂的同步期，随之出现可以令积雪融化的短暂气候，尘土堆和风沙迟早会被严寒冻结在这段时间所处的位置上。“机遇”号研究了许多明亮的含硫酸盐的砂岩，它们展现了这种风沙形成的巨大的交错岩层结构。

“好奇”号找水

当火星上出现处处都可以使雪融化的罕见气候条件时，盖尔环形山是可以期望找到水的地点之一。但是在火星高度干燥的环境中，雪融为水每隔几千年就会发生一次，算不上极其罕见的事件。即便火星生命曾经存在过，这种环境也不可能保存古代生命的证据。

不过，NASA的“好奇”号火星车已经发现了火星环境曾经更湿润的证据。当“好奇”号开启穿越盖尔环形山底部的旅程时，它发现了一些覆盖着圆形卵石的岩石，它们非常巨大，不可能被风力移动或吹翻。这些岩石肯定是被迅急的水流所掀翻的。在John Klein点钻探的第一块泥岩似乎是从静止或流动非常缓慢的水中沉积而成的。许多岩石在凝固后至少曾有一次再度潮湿的经历。矿物质饱和的地下水从这些岩石上流过，将纹理中填满石膏，从而留下了自己的印记。这些水是来自空中的降水，来自环形山湖泊的向下渗水，抑或是当岩石被深埋时自下方涌出的积水？“好奇”号团队正在奋力研究这个问题。

目前人们的看法是，盖尔环形山中央土丘的最低部分记录了河谷网络时期的历史，当时火星更为温暖湿润。其上层部分形成较晚，很可能含有粘结的风沙。中间层的岩石则记录了火星环境从宜居到高度干燥的转变。因此，盖尔环形山可能保存了火星经历过的所有气候类型的证据。我们希望，随着“好奇”号攀越盖尔环形山的各个地层，它的观测能够证实或否定我们目前对于火星历史的认识。

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