前言:天文学只是笔者的业余爱好而非从事职业,所以视野所限无法保证文中内容百分之百无错误、百分之百为当前最新研究结果,但撰写本文时笔者一直秉承着对知识、读者和宇宙认真负责的态度,仔细核对,力求减少错误的出现。

欢迎有相关专业知识的大佬进行审稿。同时也欢迎各位读者对文中错误内容进行批评指正,笔者将在文末专门建立勘误章节,请发现错误的读者在留言中指出错误并留下有力证据,笔者将及时更新勘误内容,消除错误内容、陈旧内容对广大读者的干扰和误导。这里先行感谢各位的帮助。

另,维基百科中某些火星地理环境使用拉丁文标注而不是英文,如艾彻斯深谷Echus Chasma(Chasma是深、长、边缘陡峭的凹地),这是由于火星大部分地名都来自于圣经古典时代。本文沿用这些命名,不刻意单独翻译成英文。

INTRODUCTION|引言:出发,目标火星!

Across the depths of space, the inhabitants watched us with envious eyes. ——HG.Wells

2020年7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭托举着中国首次火星探测任务“天问一号”探测器,在中国文昌航天发射场点火升空。9月11日上午9时(几个小时前),天问一号正式打卡1.37亿公里的飞行距离。作为野生天文爱好者,笔者很遗憾🍋没有看到天问一号的发射直播,但依旧为国家的成就感到无比的自豪。

为什么我国第一个地外行星探测任务选择火星?为什么总将火星和地球比作“姊妹星”?为什么“火星生命”是天文界中关于地外生命讨论最多的?火星上到底有没有生命?这些都是围绕火星的热门问题。接下来,笔者将用通俗易懂的语言,为读者们解答这些疑问的一部分。

天问一号所属国家工程——中国行星探测

NOW|现在:太阳历约46.03亿年,寒冷、狂暴又壮丽

关于火星上是否有生命,或者是否曾经有过生命,这个问题目前在科学界上的答案依旧是——不知道。到目前为止,火星上没有任何有力的存在(过)生命的证据,不论是化石(曾经存在的证明)还是活的生物(例如微生物)。但为什么也不是否定的答案呢?因为火星可能和地球一样,经历过初级生命诞生的阶段。换句话说,火星历史上有一段时间,其星球特征和地球早期生命诞生时的特征非常相似;再换句话说,火星曾经有过能够诞生类似于地球生命的历史。可是,为什么现在的火星会是风沙满天、四目荒凉呢?

为了讲清楚这个问题,我们来深入了解下火星和地球的异同,以及火星的历史。

0. 火星的基本信息(对比地球、月球)

质量、直径和体积均以地球相关数值为单位一。

仔细看后面要考

三个神秘的大球球……
 Earth|地球Mars|火星Moon|月球
Position|位置1 AU1.52 AUN/A
Weight|质量1 单位0.107 单位0.0123单位
Diam|直径1 单位0.532 单位0.273 单位
Volume|体积1单位0.151 单位0.020 单位
Avg. Temp.|平均温度15℃-63℃-98.15℃
Avg. Surface BP|平均表面气压1013.25 hPa6.36 hPa10<sup>-9</sup>~10<sup>-12</sup> hPa 
Scale Height|大气标高7 KM11 KMN/A

先是位置:火星在太阳系中的位置(或者说与太阳的距离),不算近也不算远。远没有远到木星土星那样在小行星带之外,那片区域寒冷而孤寂;近又不如地球,获得的太阳热量刚刚好。然而这个距离却是依旧可能产生生命的地带,详细内容后面再说。

再看质量:实际上,火星是太阳系中第二小的类地行星(仅是最小类地行星水星的两倍多一点儿),而若是和地球相比,则大约只有地球的十分之一。但地球五分之一的直径、十分之一的体积导致火星的重力只有地球的四成不到。

温度:平均温度-63℃、最低-140℃和最高只到35℃的气温使得火星成为了一个十分寒冷的星球。再加上不到地球千分之五的气压,导致火星并不适合地球生命居住。不过奇怪的是,极小的表面气压却有着比地球还高的大气标高,火星的表面大气环境可以说是极度的稀薄。

然而火星并非一直如此。回到约40亿年以前,你甚至可以不穿宇航服在火星表面轻松漫步,只需要一个呼吸机就能保证正常的呼吸。是什么导致火星发生了这么大的变化?笔者将在下一个大章节好好解释。

1. 火星(曾经和现在)存在水的证明

回到现在的火星。现在的火星虽然不适合地球生命居住,但不妨碍他拥有无比壮丽的风景,而这些风景中有许多都和曾经存在过的水有关系。

先来看看塔尔西斯Tharsis——火星表面最大的火山群,坐落于火星赤道附近。

NASA实拍图保证(然而就水手峡谷看得清……不过比某度词条用手办作封面图要靠谱)

塔尔西斯这里存在着火星最著名的两大地理景点:火星最高山——奥林匹斯山The Olympus Mons,以及太阳系最大的峡谷——水手峡谷Valles Marineris。高达两万米的奥林匹斯山无愧于其名,而水手峡谷恐怕是最明显的火星存在过水的证明(实际上笔者更认同“水手峡谷是由热喀斯特作用侵蚀而成而非流水”这一观点,不过热喀斯特需要永久冻土——还是水的一种)。

NASA火星奥德赛号, 2001, 热成像拼接图

赫拉斯盆地(现称希腊平原Hellas Planitia),火星南半球最大的盆地,也可能是目前发现的太阳系中最大的盆地,高度差达到9公里!而2300公里的直径,这么说吧,珠穆朗玛峰可以十分轻松的完全没进赫拉斯盆地中,顺带让你在盆地边缘俯瞰珠穆朗玛峰峰顶。

位于赫拉斯盆地西端的诺亚高地Noachis Terra,纵横交错的线条似乎是河流、湖泊曾经存在过的痕迹,也曾是火星存在水的最重要的间接证据。

这是河流的痕迹吧……让我想到了蜿蜒的亚马逊河

2015年9月26日,NASA宣布了火星存在水的直接证据:“好奇”号Curiosity在盖尔撞击坑Gale的土壤采样实验中发现了2%的质量是水份——这是确切的水!

“好奇”号拍到的“鹅卵石”

NASA另一个火星探测器——MRO的最新研究甚至表明现在的火星上还有可能存在液态水,详见链接:NASA Confirms Evidence That Liquid Water Flows on Today's Mars

那么,既然火星上存在着生命最重要的条件——水,却没有形成像地球一样的生机盎然的景象,这到底是什么原因导致的呢?

PAST|过去:时光机启动!目标——40亿年前!

左边不是地球,这图不给标注,往下看

这是一张根据NASA MAVEN探测器复原的原始火星大气环境图(有艺术创作的成分,并非准确的复原图)。是不是没想到?其实火星也有蓝莹莹水灵灵的时候。

大约40亿年以前,火星北半球有很大的一片海洋,甚至占到火星表面积的将近五分之一。正如前文所说,你可以在此时的火星上悠闲漫步,所需要的只是一个呼吸机而已。当然,不到地球一半的引力可能需要你再配上几个铅球。反观同一时期的地球,这里却是更像地狱——抬头,大气中二氧化碳浓度高的不可思议;低头,强酸性的海水能让你寸步难行;陆地上也不安全,火山、熔岩、陨石,无时无刻不挑战着你的生存能力。相比之下,此时的火星反而更像是天堂。

然而,受多种因素影响,这一切都在随后的10~15亿年间发生了天翻地覆的改变。

0. 后期重轰炸事件

又译作“晚期重大撞击事件”或者“晚期重轰炸事件”。是指发生在约41亿年前~约38亿年前太阳系中(尤其是内太阳系和外太阳系靠近小行星带地区)的一系列重大天文现象。主要特征是许多当时正处在内太阳系区域的一些行星(尤其以气态巨行星——木星,和气态行星如海王星等)受到土星形成、变化和产生的引力发生轨道变化,还有太阳形成初期遗留物质消耗殆尽等多种因素影响,导致内太阳系行星运行混乱、陨石四处飞散现象的发生。这一时期最著名的天文特征应该是正在螺旋状靠近太阳的木星被吸走,重新回到外太阳系(若是没有这一事件,恐怕太阳可能直接吸木星吸到爆炸,或者内太阳系被木星吃的一干二净,不过,这就是另一个故事了)。

这一事件的直接证据就是月球背面密密麻麻的陨石坑。海王星经过小行星带向外迁移时,推动了非常非常多(准确数值没查到,总之就是非~常多)的陨石向太阳移动,这些放荡不羁的陨石被火星、地球和月球截流了不少。所以说,若要40亿年前的火星上压马路,还得当心四处飞溅的陨石。

注:后期重轰炸事件的存在没有质疑,但关于后期重轰炸事件的成因一直还有争议,这里笔者的观点仅供参考,不作过多讨论。

1. 生命出现的里程碑

熟悉地球地质年代或者地球生命史的读者应该知道,38亿年前是地球出现生命所推测的最时间。这一时期有这出现简单生命的关键条件:海底热泉、火山池(熔岩池)。在这些有机物(矿物)丰富、化学变化频繁又复杂地方,化学变化慢慢产生了生物化学变化,再往后走,便是简单生命的出现。

同一时期,火星上也产生了和地球相同的孕育生命的条件。火山——不用说奥林匹斯山就是代表;而海底热泉地区,看火星南部的波江盆地Eridania Basin,这里有这将近四百米厚的矿物沉积区域(Nature英文报道链接请点这里),而矿物沉积就是海底热泉的一大地质特色。

波江盆地拍摄到的矿物堆积照片

此时,火星和地球的生命发展历程正处于同步状态,甚至火星还有些许领先。

但是,接下来3~10亿年间,火星的水开始消失,火星的生命条件将发生彻底的改变。

2. 火星的转折

38亿年前的火星,温暖、湿润、适合简单生命的产生,这一时期被火星地质史划分为”诺亚时期“(诺亚高地形成的大致时期)(很形象是不是?)。而接棒的“赫斯珀利亚时期”(以“赫斯珀利亚高原”命名) ,则把火星变成了一颗冰冻星球。更冷、更干的气候环境使火星表面的江河湖海陆续封冻,甚至形成又硬又厚的冰层。

此时,火星的火山活动反而更加活跃。

当火山喷发冲破冰层时,这里形成了太阳系最大的洪水。这场大水估计发生在月神山谷的艾彻斯深谷Echus Chasma,形成了至少4千米高的巨型瀑布。据估算,约35万立方千米的水(想象一个边长70千米的立方体)在短短2到5周的时间内流入了一个不到10千米宽、100千米长的大山谷中,绝对称得上太阳系最大的洪水。国内也有相应研究的报道

皮一下,《圣经》中的大洪水会不会是指这个🤣?

艾彻斯深谷_截图自BBC纪录片 The Planets

然而,这可能是火星上水分子们最后的疯狂了。

3. 熄火

接下来的不到5亿年时间里,火星表面的水以恐怖的速度飞快消失,逸散到茫茫宇宙中。直接原因就是被太阳风吹走了

太阳风有多可怕?太阳大气(日冕)的温度高达100万摄氏度,而太阳表面的温度只有区区6000℃。于是,从太阳表面一直在向外刮着猛烈又充满辐射的大风。日冕的气体实际上是以一种带电粒子——等离子体的形式存在。这些粒子以每秒几百万公里的恐怖速度飞速离开日冕,吹向各个行星,包括火星和地球。这样的“风”,足够强大到轻易吹散地球表面上的一切生机。

那为什么地球没有遭受这种命运?

宇航员Scott Kelly于2015年8月15号在国际空间站拍摄的极光

上图是我们熟悉的极光Aurora,这些跳动的精灵就是保护地球免受类似火星命运的重要盾牌、地球生命得以延续40亿年的原因之一——地球磁场(的可视化表现)。

在我们脚下平均几千公里左右的地方,流动着沸腾的铁水(地球外核) 。当地球自转使得这些铁水不断上升和下降的时候,流动的熔融态铁产生了电流,进而产生强大而广阔的磁场。这个磁场就是地磁。当太阳风中的带电粒子吹到地球上时,地磁将其中的绝大部分隔绝在外,保护了地球上的空气和海洋,也为地球生命隔绝了危险的辐射。这些带电粒子撞击到地球南北极时,受到地磁的影响,带电粒子会不断在大气层边缘上升下降,而带电粒子撞击大气中的氮和氧时,物理变化会使粒子发出带有特殊颜色的光电(具体物理知识别问我,我物理差,妥妥的物理劝退😢)。

地球磁场与太阳风

回到火星,火星上没有磁场吗?遗憾的是,曾经有。但在40~35亿年,火星的核心慢慢冷却,直至彻底熄火。火星彻底地死去。而此时的地球正是开始出现生命直至繁荣的时候。火星和地球这对姊妹,从那时开始,早就已经彻底越走越远,再不回头。

4. 命运

那么,关键问题就来了,火星为什么会熄火?

这一命运在早在火星形成时就已经决定了。

火星形成于太阳系中物质相对较少的区域,这也导致火星的体积更小、质量更轻、物质更少。虽然可能还有其他原因,但物质更少可能直接导致火星核心过早冷却,进而导致火星内部熄火,火星磁场消失,保护层消失,大气层和水被吹走。众多生命必然要素陆续消失,火星,变成了一个寒冷、干燥、充满风暴和寂灭的沙土世界。

据测算,太阳系最大的火山——火星上的奥林匹斯山,在约2500万年之前最后一次喷发后,陷入长久地沉睡。

FUTURE|滴答滴答,火星即将醒来

任务发射时间 (协调世界时国家、机构或计划结果备注
火星1A号(火星1960A)1960年10月10日苏联发射失败未抵达轨道
火星1B号火星1960B1960年10月14日苏联发射失败未抵达轨道
卫星22号(火星1962A)1962年10月24日苏联发射失败近地轨道上失联
火星1号 (2MV-4 No.2)1962年11月1日苏联航天器失败在抵达前失联
卫星24号(火星1962B)1962年11月4日苏联发射失败未离开近地轨道
水手3号1964年11月5日美国国家航空航天局发射失败运载目标整流罩分离失败
水手4号1964年11月28日美国国家航空航天局成功于UTC时间1965年7月15日01:00:57接近火星。首次传回火星照片
探测器2号1964年11月30日苏联航天器失败在飞越火星前失联
水手6号1969年2月25日美国国家航空航天局成功 
火星2A号(火星1969A)1969年3月27日苏联发射失败轨道错误导致失败
水手7号1969年3月27日美国国家航空航天局成功 
火星2B号(火星1969B)1969年4月2日苏联发射失败轨道错误导致失败
水手8号1971年5月9日美国国家航空航天局发射失败轨道错误导致失败
宇宙419号1971年5月10日苏联发射失败因火箭燃烧时间错误没有离开近地轨道
水手9号1971年5月30日美国国家航空航天局成功1971年11月14日进入轨道,516天后停用
火星2号1971年5月19日苏联大部分成功于1971年11月27日进入轨道,运行362天。由于地面上的沙尘暴,测绘作业失败
火星2号登陆器1971年5月19日苏联航天器失败1971年11月27日登陆火星失败,降落伞未打开撞毁于火星表面。第一个抵达火星的人造物
火星3号1971年5月28日苏联大部分成功于1971年12月2日进入轨道,运行20天。 由于地面上的沙尘暴,测绘作业失败
火星3号登陆器1971年5月28日苏联大部分成功1971年12月2日软着陆火星成功,14.5秒后失联。第一个成功着陆的探测器
火星4号1973年7月21日苏联航天器失败 
火星5号1973年7月25日苏联航天器失败进入火星轨道9天后失联
火星6号轨道器及登陆器1973年8月5日苏联大部分成功登陆器成功着陆但芯片烧毁,在轨道器飞过时传回的大气数据大多难以辨认。
火星7号1973年8月9日苏联航天器失败未进入火星大气层
海盗1号轨道船1975年8月20日美国国家航空航天局成功绕行火星1,385圈
海盗1号登陆器1975年8月20日美国国家航空航天局成功运作2,245天
海盗2号轨道船1975年9月9日美国国家航空航天局成功绕行火星700圈
海盗2号登陆器1975年9月9日美国国家航空航天局成功运作1,281天
弗伯斯1号1988年7月7日苏联航天器失败前往火星途中失联
弗伯斯2号1988年7月7日苏联部分失败登陆前失联
火星观察者1992年9月25日美国国家航空航天局航天器失败火星轨道插入前失联
火星全球勘测者1996年11月7日美国国家航空航天局成功运作七年
火星961996年11月16日俄罗斯联邦航天局发射失败未离开近地轨道
火星探路者1996年12月4日美国国家航空航天局成功1997年7月4日登陆
逗留者号1996年12月4日美国国家航空航天局成功运作84天
希望号探测器1998年7月3日日本宇宙航空研究开发机构失败抵达火星前燃料用尽
火星气候卫星1998年12月11日美国国家航空航天局航天器失败太接近火星而烧毁
火星极地登陆者1999年1月3日美国国家航空航天局航天器失败登陆火星失败
深空2号1999年1月3日美国国家航空航天局失败登陆火星失败
2001火星奥德赛号2001年4月7日美国国家航空航天局运作中预计运作至2025年
火星快车号2003年6月2日欧洲空间局运作中预计运作至2026年
小猎犬2号2003年6月2日欧洲空间局大部分成功登陆器成功着陆,但两个太阳能电池板未能展开,阻碍下方的天线通信。
勇气号2003年6月10日美国国家航空航天局成功运作2,208天
机遇号2003年7月8日美国国家航空航天局运作中2019年2月13日因为失联终止任务。
罗塞塔号2004年3月2日欧洲空间局成功2007年2月飞越火星
火星勘察卫星2005年8月12日美国国家航空航天局运作中 
凤凰号2007年8月4日美国国家航空航天局成功 
黎明号2007年9月26日美国国家航空航天局成功2009年2月飞越火星
火卫一-土壤2011年11月8日俄罗斯联邦航天局航天器失败未离开近地轨道
萤火一号2011年11月8日中华人民共和国国家航天局航天器失败未离开近地轨道
好奇号2011年11月26日美国国家航空航天局运作中 
火星轨道探测器2013年11月5日印度空间研究组织运作中2014年9月24日进入火星轨道
MAVEN2013年11月18日美国国家航空航天局运作中2014年9月22日进入火星轨道
火星微量气体任务卫星2016年3月14日欧洲空间局/俄罗斯联邦航天局运作中 
斯基亚帕雷利EDM登陆器2016年3月14日ESA登陆失败火星微量气体任务卫星搭载
洞察号2018年5月5日美国国家航空航天局运作中2018年11月26日登陆。
阿联酋希望号火星轨道器2020年7月19日阿联酋国家航空航天局运作中 
天问一号2020年7月23日中华人民共和国国家航天局运作中 
毅力号火星探测器2020年7月30日美国国家航空航天局运作中 

上表来自维基百科-火星探测任务列表,收录了目前已经发射的几乎所有的目标为火星和经过且从火星获得过数据的探测任务。在现在以及未来,除了我国的天问系列以外,NASA的猎户座Orion(猎户座本身目标不只是火星)、ESAФКА合作的的“火星生命”ExoMarsSpaceX的猎鹰重型运载火箭Falcon Heavy(一个重型运载火箭系列,目标中有探索火星的计划,原名“猎鹰九号”,实际上并不是“‘猎鹰’系列第九款”的意思)都将目标指向这颗冷清的红色星球。相信不久的将来,这颗寂寞的小伙伴有会重新活跃起来,为地球人探索宇宙添砖加瓦。

The Planets 中有一句话我觉得说的很好:……因此我认为在我有生之年将出现火星人,火星人就是我们。我们将前往火星定居。这颗古老的红色星球,将成为我们人类走出地球,实现星际漫游的第一步。

POSTSCRIPT|后记:我们的征途是星辰大海

火星的命运早在诞生之初就已经被决定。虽然曾有过能够创造生命的条件,但过小的质量导致核心过早熄灭;随后狂暴的太阳风吹走了火星表面的大气和水,也吹走了火星生命的希望。它注定将是寒冷而孤寂的。

不过,火星的命运又将被我们人类所改变。人类正处于Ⅰ类文明阶段,并且正大步迈进Ⅱ类文明,而火星,或许将是这一过程的重要见证者和有力支持者。它留下的丰富地下水、铁氧化物和矿物质,将为我们的宇宙探索提供资源;类地环境是我们与更深更远之间的纽带;地质史和环境变化给我们研究地外生命提供宝贵的样本。它让我们认识到人类是多么的渺小,而地球,又是多么的珍贵。

QUOTES & VERSION INFO.|引用和版本信息(代勘误)

引用如下:

  1. 封面图、封底图:BBC纪录片 The Planets
  2. 天问一号_百度百科
  3. 文中图片大多采集自NASA和维基百科各个相关页面,特殊注明除外;
  4. 几乎所有链接都指向维基百科相关页面,但火星探索任务列表 由于是直接从维基百科页面中复制并作出修改的,并未检查各个链接的准确指向,所以该列表链接指向不作保证。

版本信息(代勘误)

  1. 2020年9月13日 01:34:01 初版