登陸火星,我們會看到什麼?

北京新浪網 (2021-05-15 18:01)
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原標題:登陸火星,我們會看到什麼?

原創 星球研究所 星球研究所 收錄於話題#星球研究所:探索太空11個

現根據最新進展修訂並重發

2021年5月15日7時18分

中國火星探測器天問一號

正式著陸火星地表

它攜帶的祝融號火星車

即將開啟一段全新的旅程

(「祝融號」火星車登陸示意圖,製圖@鄭藝/星球研究所)

中國人的星際探索夢想

還把人類持續了61年的火星探索

推向了新的高度

(1960-2021人類火星探測任務匯總,製圖@王申雯/星球研究所)

已經讓火星的面貌

變得逐漸清晰

火星與地球幾乎同時誕生

形同姊妹

似乎有機會成為「另一個地球」

但如今

地球生機勃勃、活力四射

火星卻寒冷乾燥、滿目荒涼

成了一個近乎死去的世界

(2021年3月毅力號火星車拍攝的火星地表,圖源@NASA)

究竟發生了什麼?

為何變成了死去的「另一個地球」

天問一號探測器和祝融號火星車

又將在火星探索什麼?

(夜空中的火星,攝影師@Tea-tia)

碰撞時代

大約46億年前

年幼的太陽系裡

塵埃微粒正在聚集

無數石塊、星子、行星胚胎橫衝直撞

結合成更大的岩石星球

原始火星

就這樣誕生了

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

至少44.8億年前

另一個行星胚胎與原始火星相撞

火星的樣貌從此大為改變

(火星全球影像,圖中的大型溝壑地貌為水手大峽谷,圖源@NASA)

使得火星地勢

南高北低

南半球以高原地形為主

地殼較厚

北半球以平原地形為主

地殼較薄

人們稱之為「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面,是一個人為定義的曲面;在地球上,海洋的大地水準面與海平面重合,製圖@鄭藝/星球研究所 )

一系列大規模撞擊事件

仍然持續不休

又在南高北低的大背景上

製造出一系列巨型撞擊坑

在北半球

若干個巨型撞擊坑彼此相近

碰撞產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)

祝融號火星車剛剛登陸的烏托邦平原

是火星上已知的最大撞擊坑

直徑超過3300km

由於面積過於巨大

登陸其上的人類探測器

幾乎觀察不到任何「坑」的形態

只有一望無際的亂石荒原

故而得名「平原」

(1979年維京2號著陸器拍攝的烏托邦平原,亂石上結滿白色冰霜,這裏也是祝融號火星車的著陸地,圖源@NASA)

大小不一的撞擊坑遍布地表

看起來傷痕纍纍

(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)

是南半球最大的撞擊坑

也是火星地表最深的撞擊坑

東西長度超過2500km

南北長度超過1400km

最大深度超過7300m

幾乎可以「放入」整個青藏高原

(海拉斯平原與青藏高原對比,製圖@鄭藝/星球研究所)

主要形成於大約42-37億年前

堪稱「碰撞時代」的高潮

但從距今37億年起

巨型撞擊坑基本停止產生

中小型撞擊事件則取代它們

繼續為火星地表增添疤痕

(請橫屏觀看,好奇號火星車從蓋爾撞擊坑中央丘陵回望,近景是裸露在地表的古代岩層,從中可以認識撞擊坑的演化歷史,該撞擊坑形成於約36億年前,直徑150km,圖源@NASA)

火星上產生的撞擊坑

數量和規模都十分驚人

其中

直徑超過1000km的撞擊坑

已有5個得到確認

直徑超過1km的撞擊坑

更是超過了38萬個

遠超地球

(火星與地球撞擊坑數量對比,製圖@鄭藝/星球研究所)

人們尚未發現直徑超過1000km的撞擊坑

即便是6500萬年前

加速恐龍滅絕的希克蘇魯伯撞擊事件

也僅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)

是位於南非的弗里德堡撞擊結構

形成於20.2億年前

原始直徑僅有約300km

如果放在火星上

只能位列第三梯隊

(南非弗里德堡撞擊坑地形,製圖@鄭藝/星球研究所)

地球比火星經歷了更少的撞擊事件

而是因為地球有著

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」

以南非的弗里德堡撞擊坑為例

原本300km直徑的撞擊坑

在經過了20多億年的破壞后

僅留下直徑約80km的中央丘陵區

我們已無法看出它原本的規模

(撞擊坑破壞示意,地層抬升會使古老的撞擊坑逐漸風化消失,製圖@王申雯/星球研究所)

往往非常「新鮮」

而稍稍假以時日

它們同樣會被快速「磨平」

(請橫屏觀看,巴林傑撞擊坑,形成於約5萬年前,直徑僅有1.19km,圖源@視覺中國)

改變了地球和火星的面貌

在火星的大部分歷史中

地質運動和雨雪風霜並不活躍

不僅使40多億年前的巨型撞擊坑得以倖存

更使為數眾多的中小撞擊坑一併保留

(火星維多利亞撞擊坑,直徑約800m,機遇號火星車曾在此工作,圖源@NASA)

僅僅是碰撞對火星外表的改變

更加深遠的改變

發生在火星內部

撞擊產生的能量

使火星內部變得活躍異常

開啟了塑造火星的第二個時代

02

火山時代

至少40億年前

熔岩

開始從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)

不斷噴發的火山

令熔岩在地表反覆流淌

竟然形成了一個占火星表面積約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面,是一個人為定義的曲面;在地球上,海洋的大地水準面與海平面重合,製圖@鄭藝/星球研究所)

成為高原的「中流砥柱」

其中西北部的奧林匹斯山

海拔達到21229m

是太陽系中最高大的單體火山

(奧林匹斯山影像,顏色表示海拔,圖源@NASA)

即使從太平洋海底算起

地球最大的超級火山夏威夷島

其頂底落差也僅有9300米

依然相形見絀

(請橫屏觀看,火星奧林匹斯山與部分地球山峰對比,製圖@漢青/星球研究所)

這些火山的龐大體量冠絕整個太陽系

使人類感到陌生甚至恐懼

但從微觀的角度

形形色色的火星火山地貌

卻又與地球的火山地貌頗為相似

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,原圖為黑白照片且無比例尺,圖源@NASA)

一邊流動一邊冷卻的熔岩

有著類似的外觀

(夏威夷熔岩流表面的繩狀外觀,規模小於上圖火星地表的繩狀結構,但二者成因類似,圖源@視覺中國)

轉入地下的管道流動

還會在火星上形成

龐大的地下洞穴體系

極易坍塌成線性峽谷或連續坑洞

(火山熔岩管道形成過程示意,製圖@王申雯/星球研究所)

或線性排列的橢圓坑洞

廣泛分佈在火山四周

(火星奧林匹斯山附近的熔岩管道,不同時期噴發產生的管道彼此疊加、切割,坍塌成斷續的坑道,原圖為黑白照片且無比例尺,圖源@NASA)

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)

大約持續到距今30億年前

從那之後

火山噴發變得更加斷斷續續

規模也大為減小

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洼地,轉化成疑似河道的結構,製圖@鄭藝/星球研究所)

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

火星的火山時代里

還隱藏著潺潺的流水

03

流水時代

在火星誕生之初

水分子與塵埃共同匯聚

大量的水被「封禁」在星球內部的岩石里

在碰撞時代和火山時代

水蒸汽從岩漿中升騰出來

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

(義大利埃特納火山噴發后的煙柱,火山噴發不僅產生大量的火山灰,也會將巨量的水蒸汽釋放出來,圖源@視覺中國)

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,直徑若干毫米,圖源@NASA)

與美國猶他州沙漠里

散落遍地的「摩奇石球」

有著基本相同的成因

(美國猶他州沙漠里的「摩奇石球」,圖源@視覺中國)

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

經過一系列化學變化后

不穩定的鈣質結核

轉變為較穩定的鐵質結核

在岩石遭受風化破壞后散落一地

(結核形成與脫落示意,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)

2011年以來

在蓋爾撞擊坑裡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

不僅有被流水打磨圓潤的卵石

(蓋爾撞擊坑內高度磨圓的小卵石,形成於河流環境,圖源@NASA)

共同記錄了古代奔涌的河流

(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「交錯層理」,是流水堆積砂粒產生的痕迹,底圖@NASA,標註@雲舞空城&漢青/星球研究所)

記錄岩石身世的紋理十分常見

如丹霞地貌的砂岩山體中

常可以找到古代河流留下的紋理

(樂山大佛砂岩交錯層理示意,樂山大佛開鑿於丹霞山體上,砂岩里可見密集的交錯層理,它們是流水堆積砂粒產生的痕迹,攝影師@李瓊,標註@雲舞空城&漢青/星球研究所)

人們根據對地球地貌的認識

與火星的地表現象進行對比

推演出屬於火星流水時代的

溪流匯聚、江河奔涌、波濤拍岸

大約40億多年前的火星

雨水在高地匯聚

經過樹枝一般的溪流網路

匯聚成主河道

(陶馬西高地南側的瓦伊格谷河道系統,製圖@鄭藝/星球研究所)

在火星高地上切割出壯觀的峽谷

長度動輒達到數千千米

深度亦常有數千米

(水手谷和卡塞谷地形示意圖,部分學者認為,卡塞谷可能由熔岩而非液態水流動產生,製圖@鄭藝/星球研究所)

來到地勢低平的平原區后

它們開始在大地上蜿蜒

留下複雜多變的河曲

將泥沙堆積在河道內

它們轉變為岩石后

又從強烈的風化破壞過程里倖存

在地表凸顯出來

(伊奧利亞平原的古代火星曲流河道,製圖@鄭藝/星球研究所)

像極了地球上那些曲流河

(內蒙古呼倫貝爾草原莫日格勒河,它是典型的曲流河,攝影師@劉兆明)

在一些低洼的地區匯聚

形成湖泊與海洋

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,標註@漢青/星球研究所)

則分佈在北方大平原周圍

似乎在暗示

一個古老的火星海洋

曾佔據了流水時代的北半球低地

而那些大大小小的撞擊坑

則成為湖泊的所在地

(火星主要三角洲分佈及可能的早期海洋分布圖,製圖@鄭藝/星球研究所)

火星的江河湖海沒有持續到今天

大約25億年前

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

流水幾乎不復存在

只有一些殘留的水冰

分佈在部分撞擊坑、兩極冰蓋和地下

(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)

為什麼火星

經歷了碰撞時代的動蕩不安

經歷了火山時代的烈火熔爐

經歷了流水時代的奔流不息

卻最終迎來了死亡?

04

死亡時代

我們或許可以從

地球與火星的地形差異中

獲取一些線索

在地球上

規模巨大的洋中脊和火山鏈

年復一年地噴薄岩漿

將地球內部的物質不斷帶到地表

更新地球表面的大氣、水和岩石

(印尼婆摩羅火山,印度尼西亞的群島是板塊運動產生的火山島鏈,火山活動極為頻繁,攝影師@Tony Wang)

在地質歷史中起起落落

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,畫面左側為中國方向,右側為印度方向,圖源@NASA)

人們幾乎找不到類似的地貌

這裏的火山分佈零散

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

只有位於水手谷南方

延綿2000km的陶馬斯高地

呈現出一定的線性特徵

不排除是古代火星板塊碰撞的痕迹

(火星與地球地形對比,標註了主要線性山地、火山帶和洋中脊,製圖@鄭藝/星球研究所)

火星有過短暫的局部板塊運動

但它沒有持續到現代

而原因可能僅僅是因為

火星的身材太過嬌小

(地球與火星大小示意,底圖@NASA,製圖@鄭伯容/星球研究所)

嬌小的火星

既無法提供足夠的放射性元素

在星球內部衰變產生熱量

也難以留存碰撞時代遺留的熱能

內部冷卻程度遠甚於地球

以至於無法支持活躍的板塊運動

這一差異

改變了兩顆星球後來的歷史

由於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多億年的光陰

留存至今

(歐科斯環形山,火星表面最古怪的地貌之一,可能由小行星撞擊產生,圖源@ESA)

源於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)

或許是因為火星地核溫度太低

或許是因為某次撞擊事件干擾了地核

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)

火星的巨型火山活動漸漸減弱

內部物質難以來到地表

大氣層和地表水逐漸失去補充

在隨後的歲月里

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

液態水凍結在兩極附近的地表和地下

偶爾升華產生的水蒸汽

也會很快被太陽風破壞帶走

從火星消失

(請橫屏觀看,火星北極冰蓋,由水冰和乾冰構成,圖源@ESA)

就連二氧化碳也被凍結

形成厚重的「乾冰」冰蓋

(火星南極附近的地表乾冰實拍,與紅色的泥沙混合在一起,圖源@NASA)

捲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物,圖源@NASA)

龐大的沙丘在地表蔓延

(火星沙丘,顏色為人工添加的假彩色,圖源@NASA)

從距今25億年前延續至今

整個星球的表面陷入沉寂

只有偶爾飄過的幾縷白雲

(火星的稀薄雲層,由機遇號拍攝,圖源@NASA)

依舊保留些許的活力

(2001年一場全球性的火星沙塵暴,給整個星球都被蒙上一層「沙霧」,由哈勃望遠鏡拍攝,圖源@NASA)

所有曾經的動蕩與迸發的力量

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

「另一個地球」

人類的火星探索

打破了火星持續數十億年的沉寂

隨著人類越發了解火星

並將火星的一生

與地球的一生進行對比時

才體會到地球的與眾不同

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

呵護著地表的一切

(冰島極光,極光是地球磁場將部分太陽風粒子引導至兩極附近后,轟擊大氣層產生的發光效應,攝影師@Tea-tia)

在超過36億年的時間里

維持著生生不息的板塊運動

不斷重塑地球的表面

它令高山起落不定

(請橫屏觀看,遠景的喜馬拉雅山脈與中景的岡底斯山脈同框,攝影師@孫岩)

(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)

(新疆伊犁河谷,攝影師@馬俊華)

(冰島的黑色海灘,白色浪花與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)

更成為整個太陽系中

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層,圖源@NASA)

襯託了地球的活力四射

是火星的黯然死亡

襯託了地球的生生不息

從某種意義上說

火星

是死去的「另一個地球」

也是人類認識地球的一面鏡子

但即便經歷了61年的探索

火星仍然隱藏著許多奧秘

前文所述的各種火星故事

許多還停留在科學猜想的層面

等待著人們去繼續探索

繼續驗證

繼續去偽存真

(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)

不應也不會缺少中國科學家的身影

剛剛登陸的

天問一號探測器和祝融號火星車

將是他們的眼睛和耳朵

在未來的數十乃至上百年裡

火星的秘密終將被人類破譯

火星的地表終將被人類親自拜訪

它的過去、現今和將來

它的物產、風景和可能存在的生命

都將被拉進人類的視野

成就一段

屬於宇宙時代的浪漫

(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,未來還將把我們的視野帶向更遠的星空,攝影師@Tea-tia)

主筆:雲舞空城

編輯:所長