“祝融號(hào)”登陸火星：人類為何非要去那里？

在2020年7月23日離開(kāi)地球，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的飛行，中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器進(jìn)入火星軌道，為火星拍攝照片，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。2021年4月24日，“天問(wèn)一號(hào)”攜帶的火星車被正式命名為“祝融號(hào)”。對(duì)于火星探測(cè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，進(jìn)入火星軌道，在火星上空進(jìn)行探測(cè)的難度相對(duì)還不算太大，最為驚險(xiǎn)的，則是以高速進(jìn)入火星大氣層，最終登陸火星的表面——這也將是對(duì)“祝融號(hào)”最大的考驗(yàn)。

火星可以說(shuō)是太陽(yáng)系內(nèi)最難以登陸的天體之一。因?yàn)榛鹦潜砻娴囊�力相�?duì)較大（大約相當(dāng)于地球的三分之一），又有無(wú)法被忽視的大氣層（表面密度大約為地球的百分之一）。對(duì)于任何想要登陸的探測(cè)器來(lái)說(shuō)都要經(jīng)歷重重危險(xiǎn)。而且因?yàn)榛鹦蔷嚯x地球遙遠(yuǎn)，在所處的位置想要與地球進(jìn)行通訊需要10分鐘以上的時(shí)間，而探測(cè)器最為關(guān)鍵的下降登陸過(guò)程總共只有7分鐘左右，地球無(wú)法對(duì)其進(jìn)行臨場(chǎng)指揮，只能任由其根據(jù)之前的設(shè)計(jì)自行降落。因此國(guó)際上把這個(gè)關(guān)鍵的過(guò)程稱為“恐怖七分鐘”。

在離開(kāi)地球?qū)⒔?0個(gè)月之后，“祝融號(hào)”終于也迎來(lái)了屬于自己的“恐怖七分鐘”。在整個(gè)登陸過(guò)程中，“祝融號(hào)”順利完成了姿態(tài)控制、在超聲速狀態(tài)中打開(kāi)降落傘、拋隔熱大底、降落傘和支撐結(jié)構(gòu)脫離、反推火箭工作、懸停避障、減速軟著陸等一系列復(fù)雜動(dòng)作。地球終于在北京時(shí)間2021年5月15日8時(shí)20分左右得到了來(lái)自火星的確認(rèn)消息，“祝融號(hào)”成功登陸火星！

很多人都還記得，在2020年七月的火星探測(cè)窗口（以地球?yàn)榛�地，大約每?jī)赡陼?huì)出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間大約為一個(gè)月的火星探測(cè)發(fā)射窗口），阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”，中國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”，以及美國(guó)的“毅力號(hào)”火星探測(cè)器相繼離開(kāi)地球前往火星。“希望號(hào)”主要在火星軌道上進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，并沒(méi)有登陸計(jì)劃。“毅力號(hào)”在2021年2月19日已經(jīng)成功完成登陸，而中國(guó)火星車“祝融號(hào)”終于也成功登陸，即將進(jìn)行自己“繞，落，巡”三個(gè)探測(cè)步驟中的最后一項(xiàng)，在火星表面進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。

祝融號(hào)登陸的位置，位于火星表面最大的平原——北半球的烏托邦平原（Utopia Planitia）。祝融號(hào)將在那里進(jìn)行一系列的科學(xué)探測(cè)。根據(jù)天體化學(xué)與地球化學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)介紹，中國(guó)此次的火星探測(cè)任務(wù)總共攜帶了13種科學(xué)儀器，其中“祝融號(hào)”火星車自身攜帶了6種，要探測(cè)火星地下的土壤分布，土壤的成分，以及地下水的分布。此外“祝融號(hào)”還攜帶了一個(gè)氣象站，用以記錄火星的氣候變化。

“天問(wèn)一號(hào)”著陸器及巡視器（圖源：CNSA）

從好奇到探測(cè)，人類通過(guò)各種方法對(duì)火星進(jìn)行探索的歷史堪稱久遠(yuǎn)。火星在夜空中顯得尤為明亮，又有著與眾不同的紅色，中國(guó)古人描述它“瑩瑩如火”。站在地球上來(lái)看，火星的移動(dòng)軌跡和亮度都讓人捉摸不定，它因此得名“熒惑”。因?yàn)樵谮ぺぶ�中感覺(jué)到這顆行星與人世間有所關(guān)聯(lián)，中國(guó)古人會(huì)通過(guò)熒惑的位置和動(dòng)態(tài)來(lái)占卜地面上的吉兇。出于類似的原因，這顆行星在天空中時(shí)東時(shí)西，時(shí)而凝滯不動(dòng)的軌道也讓其它的文明覺(jué)得難以捉摸，甚至感到厭惡。在4000年前，古埃及人稱火星為“紅色之星”（Her Desher），古巴比倫人稱它為“死亡之星”，羅馬人則沿用了古希臘人的說(shuō)法，以戰(zhàn)神的名字命名火星“Mars”。那么，對(duì)于21世紀(jì)的人類來(lái)說(shuō)，火星又意味著什么？人類為什么一定要去火星？可以說(shuō)目前重要的原因，就是去尋找生命。

尋找火星生命

尋找火星生命——這不僅是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，也是一個(gè)會(huì)令整個(gè)人類社會(huì)都為之興奮的話題——這關(guān)系到了人類社會(huì)的各個(gè)維度：生命的本質(zhì)是什么，人類是否孤獨(dú)？生命是否還有更多的可能？但是面對(duì)這樣一個(gè)與地球同源，當(dāng)前環(huán)境卻又大不相同的臨近行星，人類又該從哪里開(kāi)始去尋找火星生命的痕跡？

想要在火星尋找生命的痕跡，首先涉及到人類如何去理解生命現(xiàn)象本身。問(wèn)題在于，地球是目前人類已知的宇宙中唯一產(chǎn)生出生命現(xiàn)象的行星。去外星尋找生命，只能從人類對(duì)于地球生命的理解出發(fā)。生命的存在依賴于各種條件的配合，那么什么才是最關(guān)鍵的因素？從人類對(duì)于地球的理解來(lái)說(shuō)，想要證明一個(gè)環(huán)境能夠孕育出生命的標(biāo)準(zhǔn)很高——需要有水，有構(gòu)成生命的必要元素（比如碳），還要有穩(wěn)定的能量來(lái)源，而且這些條件又需要在同一個(gè)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)全部被滿足。在一個(gè)環(huán)境中即使這些條件全都具備，人類科學(xué)家也還需要對(duì)其具體評(píng)估，然后再去界定在特定的條件下會(huì)產(chǎn)生出什么類型的生物。

2020年7月23日，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器從海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射。（圖源：視覺(jué)中國(guó)(13.270, 0.07, 0.53%)）

在所有支持生命存在的因素之中，水是最重要的。“跟隨水的蹤跡”是目前人類行星科學(xué)家們尋找地外生命跡象的首要準(zhǔn)則。水是生命之源，水可以深刻改變一顆行星的環(huán)境，也能夠孕育出生命。火星蘊(yùn)含著大量的水資源，這個(gè)結(jié)論固然已經(jīng)被證實(shí)，無(wú)可置疑。但是火星所儲(chǔ)存的水是否能夠，或者曾經(jīng)能夠在火星營(yíng)造出一個(gè)適合生命現(xiàn)象產(chǎn)生的環(huán)境？再進(jìn)一步討論，如果火星在40多億年的歷史中，尤其是在自然環(huán)境尚未變得像現(xiàn)在這樣惡劣時(shí)，曾經(jīng)產(chǎn)生出類似于地球的生命現(xiàn)象，那么它們又可能在火星留下什么樣的痕跡？

研究火星上水的存在形式和變化過(guò)程，是理解火星和尋找火星生命的關(guān)鍵——并不是只要有液態(tài)水就能夠孕育出生命，水資源要新鮮，不能含有太多的鹽分。在高鹽度的環(huán)境中細(xì)胞的滲透壓過(guò)大，無(wú)法生存。另外，水的酸度也很重要。雖然在地球上的一些極端環(huán)境中，人類發(fā)現(xiàn)了可以在酸性環(huán)境中生存的生物，但顯而易見(jiàn)的是，在相對(duì)中性的水中可以出現(xiàn)更多的生命形式，也就有更大的可能演化出復(fù)雜的生命體。而且以地球的環(huán)境類比，行星的液態(tài)水最好是存在于表面，有穩(wěn)定的水源和水流，比如穩(wěn)定的湖泊或是河流最適合生命現(xiàn)象的產(chǎn)生和繁衍。

目前人類對(duì)于火星的探測(cè)顯示，在它40多億年漫長(zhǎng)的歷史中，或許有幾百萬(wàn)年的時(shí)間，在表面上曾經(jīng)存在過(guò)由液態(tài)水形成的河流。這樣的時(shí)間長(zhǎng)度，相比于幾十億年的行星歷史來(lái)說(shuō)雖然只是短短的一瞬，但也有可能就是在這期間衍生出過(guò)火星生命。以地球?yàn)槔�，生命現(xiàn)象的存在，除了水分之外，還需要碳，氫，氮，氧，磷和硫等構(gòu)成生命的必要元素——相比之下，氮元素和碳元素又比較特殊，它們需要存在于土壤之中，卻又不能夠與土壤中的礦物質(zhì)結(jié)合得太過(guò)緊密，讓微生物無(wú)法采集和利用。這些物質(zhì)需要能夠溶于水中，容易被微生物所吸收——這些條件火星都有可能滿足。

在火星的漫長(zhǎng)歷史中，是否曾經(jīng)有過(guò)哪怕一段極短的時(shí)間，所有出現(xiàn)生命現(xiàn)象的條件都同時(shí)得到了滿足？這還需要對(duì)火星的巖石和土壤進(jìn)行進(jìn)一步研究。在2008年抵達(dá)火星的“鳳凰號(hào)”（Phoenix）探測(cè)器檢測(cè)火星土壤略呈堿性，PH值為7.7�；鹦峭寥乐泻�有鎂，鈉,  鉀，和氯元素，這些都是種植植物所必須的元素，不過(guò)在其中也還含有0.6%的高氯酸鹽�？茖W(xué)家們相信，在遠(yuǎn)古時(shí)代的火星土壤中，其中的氮元素可能容易被生物所取用，至于其它物質(zhì)，例如磷元素的情況，還需要進(jìn)一步探測(cè)。如果人類的探測(cè)器能夠在火星土壤中發(fā)現(xiàn)一些相對(duì)集中的富含氮元素和磷元素的沉積物，就有相當(dāng)大的可能說(shuō)明這些物質(zhì)曾經(jīng)可以溶于水，并且可能曾經(jīng)被火星的微生物所吸收，參與了微生物的新陳代謝過(guò)程。

在火星大氣層中，尤其是遠(yuǎn)古時(shí)代的火星大氣層中含有大量的二氧化碳。在2012年抵達(dá)火星的“好奇號(hào)”（Curiosity）探測(cè)器在火星一個(gè)干涸的“湖底”也發(fā)現(xiàn)了大量的碳元素。有些生物有可能可以直接通過(guò)代謝過(guò)程，從二氧化碳中提取碳元素，通過(guò)溶解于水中的二氧化碳建設(shè)細(xì)胞組織。好奇號(hào)在火星土壤中發(fā)現(xiàn)了黃鐵礦，磁鐵礦和雌黃鐵礦，這也可能具有重大的意義，因?yàn)檫@些礦物有可能為一種特殊的生物提供能量來(lái)源——這就是目前好奇號(hào)還在尋找的“化能自養(yǎng)生物”（Chemolithotrophs），這種生物能夠通過(guò)存在于巖石中的化合物獲得生命活動(dòng)所需的能量。

布滿隕石坑的火星地表 (圖源：ESA)

假如真的曾經(jīng)存在過(guò)與地球生物類似的火星生物，那么經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的歲月變遷，加之火星氣候發(fā)生了巨變，此時(shí)登上火星表面的人類探測(cè)器，乃至在未來(lái)親自登上火星探索的人類宇航員，應(yīng)該如何尋找和判斷火星生命留下的痕跡？這又涉及到了可能存在的火星生命如何保存，如何改變火星土壤的問(wèn)題。在這方面，人類需要理解生物降解的過(guò)程，推導(dǎo)出古生物的遺跡留存至今的狀態(tài)，并且以地球作為參照來(lái)給出答案。

即使是在地球上，人類也極少能夠發(fā)現(xiàn)在幾十億年前生命存在過(guò)的證據(jù)。不同類型的生物生活在不同的環(huán)境中，它們?cè)诃h(huán)境中能夠留下的生命痕跡也各有不同。在地球前20億年的歷史中，所產(chǎn)生的生命形式幾乎都是單細(xì)胞生物。如果曾經(jīng)存在火星生命，有很大可能也是從單細(xì)胞生物開(kāi)始。想要尋找它們?cè)诨鹦谴嬖谶^(guò)的證據(jù)，不僅需要這些生物在火星的土壤和巖石中留下足夠多的痕跡，還需要這些痕跡能夠在數(shù)十億年的時(shí)間里沒(méi)有被宇宙射線所完全摧毀。

由有機(jī)物構(gòu)成的生命體在死亡之后會(huì)發(fā)生降解，生物的遺跡轉(zhuǎn)化為沉積物，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為巖石。這些物質(zhì)會(huì)一層層的沉積下來(lái)，暴露在液體中發(fā)生巖化作用，從濕潤(rùn)的糊狀逐漸變?yōu)閳?jiān)硬的巖石。而水流一遍遍的沖刷，會(huì)帶走生物遺跡中的一些化學(xué)物質(zhì)，土壤中生物遺跡的化學(xué)成分會(huì)發(fā)生變化，一些物質(zhì)會(huì)發(fā)生氧化，變成氣體溢出，有機(jī)碳逐漸轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，火星上豐富的水資源可能反而不利于生物遺跡的保存。

即使沒(méi)有經(jīng)歷這些復(fù)雜的巖化過(guò)程，在火星表面的生物遺跡也可能受到宇宙射線的轟擊而消失。那么，即使在火星表面曾經(jīng)存在過(guò)生命現(xiàn)象，它們是否還有可能留下清晰的痕跡？來(lái)自宇宙射線的轟擊不大可能讓火星表面的所有有機(jī)物分子都完全消失——人類在一些有幾十億年歷史的隕石上仍然發(fā)現(xiàn)過(guò)有機(jī)物分子——也就是說(shuō)，如果在火星表面確實(shí)曾經(jīng)存在一些生物遺留的有機(jī)物分子，那么時(shí)至今日，仍然可能會(huì)有一些遺留的痕跡等待人類去發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)科學(xué)家計(jì)算，在火星地表的有機(jī)分子，比如氨基酸，在宇宙射線的輻射之下，每隔6億5000萬(wàn)年就會(huì)只剩下千分之一。以這個(gè)比例來(lái)計(jì)算，就算現(xiàn)在在火星的表面還存有一些來(lái)自遠(yuǎn)古火星生命的有機(jī)分子，必然也已經(jīng)所剩無(wú)幾了。人類想要尋找火星生命曾經(jīng)存在的切實(shí)的，大量的證據(jù)，可能需要深入到火星的地下去尋找。

圖源：視覺(jué)中國(guó)

人類對(duì)于尋找火星生命寄予了怎樣的希望，一個(gè)必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)是，人類目前仍然對(duì)火星所知甚少，對(duì)于火星生命可能的狀態(tài)和經(jīng)歷，也都只能通過(guò)對(duì)于地球生命的研究進(jìn)行類比。也正是因?yàn)槿绱�，或許一個(gè)發(fā)現(xiàn)就有可能改變?nèi)�局�；鹦强燔囂?hào)人造衛(wèi)星（Mars Express）曾經(jīng)在火星大氣中檢測(cè)到氨的成分，這有可能是來(lái)自火星生物，也有可能來(lái)自于火星的火山；而火星微量氣體任務(wù)衛(wèi)星（ExoMars Trace Gas Orbiter）也曾經(jīng)在火星的大氣中發(fā)現(xiàn)些微的甲烷成分，這同樣激發(fā)了人們關(guān)于火星存在著微生物的想象；好奇號(hào)火星車曾試圖分析火星大氣中甲烷所含有的同位素，希望以此來(lái)判斷這些氣體是由生物釋放還是另有來(lái)由。結(jié)果顯示這些氣體源自火星生物的可能性不大，即使來(lái)自火星生物，也是在地表以下極深的位置，人類的探測(cè)器目前無(wú)法觸及。

最大的驚奇仍然可能來(lái)自于水的啟示。火星快車號(hào)人造衛(wèi)星從2003年開(kāi)始就對(duì)火星進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)，在衛(wèi)星上還搭載了一個(gè)名為“火星次表面和電離層探測(cè)先進(jìn)雷達(dá)”的科學(xué)儀器，可以對(duì)火星地表以下進(jìn)行勘測(cè)。在軟件升級(jí)之后，經(jīng)過(guò)三年多的探測(cè)和分析，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在火星南極高原（Planum Australe）區(qū)域的冰層之下，很有可能存在有大量的液態(tài)水。

根據(jù)科學(xué)家們2018年7月在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表的論文報(bào)告，在這個(gè)區(qū)域的冰川表面1.5公里以下，可能存在有20公里寬，大約幾十厘米深的大量的液態(tài)水。人們對(duì)于在火星地表之下可能存在有液態(tài)水早有懷疑，但這是至今為止人類獲得的最為可靠的探測(cè)證據(jù)。另外考慮到目前雷達(dá)還只是對(duì)火星的南極高原區(qū)域進(jìn)行勘測(cè)就已經(jīng)有了這樣的發(fā)現(xiàn)。一旦這個(gè)猜測(cè)被證實(shí)，科學(xué)家們就有理由推測(cè)，在火星各處都可能在地表以下儲(chǔ)存有大量液態(tài)水。

這個(gè)尚未被確認(rèn)的發(fā)現(xiàn)難以不讓人聯(lián)想到人類在地球的類似經(jīng)歷。直到20世紀(jì)下半葉，人類才在地球南極附近的冰面下發(fā)現(xiàn)了世界最大的淡水湖之一，沃斯托克湖（Lake Vostok）。這個(gè)230公里長(zhǎng)，50公里寬，800米深的淡水湖被深埋在大約3.7公里的冰面之下。在人類發(fā)現(xiàn)它之前，這個(gè)淡水湖已經(jīng)與世隔絕了至少1500萬(wàn)年的時(shí)間。在這種沒(méi)有陽(yáng)光照射，溫度低于0攝氏度的極端惡劣的條件下，科學(xué)家們?nèi)匀粡暮�水中發(fā)現(xiàn)了眾多微生物的痕跡。

在火星的地表以下，是否真的存在含水量巨大的火星湖或是地下海洋？在這樣的環(huán)境中固然可以免受宇宙射線的襲擊，但水的含鹽量會(huì)否太高？如果人類真的有機(jī)會(huì)探測(cè)到火星的地下湖，是否會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)全新的世界？這些疑問(wèn)，需要未來(lái)一代又一代的火星探測(cè)器，乃至親自探訪火星的人類宇航員給出答案。

藍(lán)色星球的紅色兄弟

盡管人們對(duì)于恒星和星系的形成原因和過(guò)程仍有爭(zhēng)論，但目前的主流理論認(rèn)為，在大約46億年前，在如今太陽(yáng)系的區(qū)域還只存在著大量的氣體和灰塵顆粒在宇宙中打轉(zhuǎn)。在一個(gè)時(shí)機(jī)，這些氣體和灰塵顆粒受到了某種擾動(dòng)——或許是受到了附近超新星爆發(fā)的影響，于是它們開(kāi)始在引力的作用下聚集起來(lái)。在中心區(qū)域，主要由氫氣聚集形成太陽(yáng)，這個(gè)巨大的新誕生的恒星占據(jù)了整個(gè)太陽(yáng)系99.86%的質(zhì)量。而在太陽(yáng)的周圍，剩余的一些灰塵，氣體和冰聚集擠壓在一起，又形成了一個(gè)個(gè)由融化的金屬作為內(nèi)核，具有地幔和地殼結(jié)構(gòu)的類地行星。

如果進(jìn)行類比，在太陽(yáng)系的行星系統(tǒng)中，地球和火星就如同是一對(duì)在幼年時(shí)處處相似，但是之后的境遇卻又完全不同的兄弟（火星形成的時(shí)間可能稍早于地球）。相比之下，火星距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)，是地球與太陽(yáng)距離的1.52倍，接收到的陽(yáng)光是地球的43%。即便如此，火星在形成初期的地表狀況很可能與地球類似。在形成初期火星同樣有活躍的火山活動(dòng)，噴發(fā)出氣體的成分可能也與地球類似，這讓火星擁有了足以保持其表面液態(tài)水資源的致密的大氣層。

火星與地球在組成結(jié)構(gòu)上也頗為相似。這兩顆行星都擁有一個(gè)熾熱的，由融化的金屬所構(gòu)成的內(nèi)核，又因?yàn)檫@些金屬在內(nèi)核的流動(dòng)產(chǎn)生出全球性的磁場(chǎng)；內(nèi)核之外，兩顆星球都具有地幔和地殼結(jié)構(gòu)；都擁有活躍的火山活動(dòng)；在表面同樣都覆蓋了大量的液態(tài)水，致密的大氣層又可以保持水分不至蒸發(fā)流失到宇宙空間之中。在太陽(yáng)系所有的行星中，火星的季節(jié)也與地球最為近似。這是因?yàn)閮深w行星公轉(zhuǎn)的傾角相似，而火星公轉(zhuǎn)的周期大約是地球兩倍——一個(gè)火星日和一個(gè)地球日的時(shí)長(zhǎng)大約相同，但一個(gè)火星年卻大約相當(dāng)于兩個(gè)地球年，火星季節(jié)的長(zhǎng)度也大約是地球兩倍�；鹦堑谋砻鏈囟鹊陀诘厍�，在冬天時(shí)最低可以達(dá)到零下135攝氏度，而在夏天時(shí)赤道溫度最高可以達(dá)到35度。

地球與火星的外觀和大小對(duì)比 （圖源：NASA）

火星和水星，金星，地球幾個(gè)太陽(yáng)系內(nèi)側(cè)的類地行星一樣，表面被火山噴發(fā)，大氣層中的灰塵，還有來(lái)自太陽(yáng)系內(nèi)部其它天體的撞擊等因素共同塑造。在太陽(yáng)系形成的初期，距離現(xiàn)在41億年前至38億年前的一段時(shí)間，也就是所謂的“后期重轟炸期”（late heavy bombardment），火星與其它幾顆太陽(yáng)系內(nèi)側(cè)的天體一同經(jīng)歷了眾多隕石和小行星的轟擊。來(lái)自太空的撞擊在火星表面上留下了眾多的隕石坑，也因此形成了巨大的平原——這看上去如同火星的累累疤痕，但人們也可以由此判斷在火星表面各個(gè)區(qū)域的形成時(shí)間。

火星的阿爾西亞火山（Arsia Mons）在活躍時(shí)期曾經(jīng)每隔1百萬(wàn)年到3百萬(wàn)年就會(huì)發(fā)生一次猛烈的爆發(fā)，噴射出大量的巖漿，但是它距今最近的一次噴發(fā)也是在5000萬(wàn)年之前，從此之后，火星的火山活動(dòng)逐漸平靜——那正是地球上的恐龍大規(guī)模滅絕之際。人類雖然還沒(méi)有觀測(cè)到過(guò)火星火山的爆發(fā)，但是探測(cè)顯示，在距今10萬(wàn)年前在火星依然還有火山活動(dòng)，一切尚未完全歸于沉寂。

如今，太陽(yáng)系內(nèi)的第三行星依然蔚藍(lán)，但第四行星已經(jīng)成為一顆被荒漠覆蓋的紅色星球。與地球表面被大氣層包裹之下呈現(xiàn)出海洋的蔚藍(lán)色不同，火星的紅色來(lái)自于其表面土壤中所含有的大量氧化鐵成分，使它在地球的夜空中清晰可辨。只是在人類幾千年的歷史中，絕大多數(shù)曾經(jīng)仰望星空，凝視過(guò)火星的人，都不會(huì)想到他們的眼中所見(jiàn)，與自己身處之地，是兩顆在形成初期環(huán)境極其相似的行星。它們?cè)谥�后的幾十億年里分道揚(yáng)鑣，以至于通過(guò)相對(duì)的顏色就能夠彰顯出彼此迥然相反的命運(yùn)。

火星與地球在形成初期的眾多相似之處中，最為關(guān)鍵的就在于兩顆行星都是被致密的大氣層所包裹，在表面存在液態(tài)水。形成初期的火星是什么樣貌？類似于推測(cè)形成初期的地球環(huán)境，人們只能通過(guò)蛛絲馬跡來(lái)進(jìn)行猜測(cè)和還原。在40多億年前，地球大氣層中富含由火山噴發(fā)而出的甲烷，氨氣，氫氣，還有一部分未溶于水的二氧化碳，二氧化硫等。而后經(jīng)過(guò)地球微生物數(shù)十億年的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在地球大氣層的主要含有氮?dú)猓�氧氣，二氧化碳和水蒸氣等成分�；鹦堑脑�始大氣或許和地球原始大氣的成分類似，而目前在火星稀薄的大氣層中包含了96%的二氧化碳，1.93%的氬氣，1.89%的氮?dú)�，少量的氧氣，還有富含氧化鐵的大量灰塵懸浮其中，這使得在火星表面向遠(yuǎn)處看去呈現(xiàn)出黃褐色，在沙塵暴的天氣里大氣還會(huì)呈現(xiàn)出一點(diǎn)粉色。

圖源：視覺(jué)中國(guó)

因?yàn)樵诒砻嬖��?jīng)有液態(tài)水的存在，加上其它的種種因素，塑造出了火星表面豐富的地貌。火星表面并不平坦，火星表面長(zhǎng)近4000公里，最深處達(dá)到7公里的水手峽谷（Valles Marineris）是太陽(yáng)系內(nèi)最深的峽谷；而外表為盾狀的火星火山奧林帕斯（Olympus Mons）直徑達(dá)到600多公里，高25公里，是太陽(yáng)系內(nèi)最大的火山。而火星表面一些看似樣式統(tǒng)一的溝渠，非常可能是在火星表面由冰所融化的液態(tài)水進(jìn)行沖刷的結(jié)果。有些溝渠上隕石坑的痕跡極少，說(shuō)明這可能是在最近幾百萬(wàn)年的時(shí)間里形成的（也有人懷疑這些溝渠是由火星表面的液態(tài)二氧化碳和全球性的沙塵暴所共同塑造）。

美國(guó)航空航天局發(fā)射了數(shù)個(gè)火星著陸器和探測(cè)器到達(dá)火星表面進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，分析火星土壤的成分。在2004年，“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）探測(cè)器在火星土壤中發(fā)現(xiàn)了黃鉀鐵礬成分，形成這種物質(zhì)需要酸性水的參與，它在2011年又發(fā)現(xiàn)了石膏，這同樣需要水的參與——種種跡象表明，在火星土壤的淺層以下極有可能曾經(jīng)存在著很多暗流，這些暗流在火星的夏季流淌，它們不僅塑造了火星的地貌，也決定了火星土壤的成分。

人們相信，理解了在火星上水的歷史，就能夠理解火星氣候的歷史，進(jìn)而理解行星，乃至整個(gè)太陽(yáng)系演化過(guò)程。人們發(fā)現(xiàn)在大約35億年前，火星曾經(jīng)經(jīng)歷了太陽(yáng)系內(nèi)最大的洪水。這些水從哪里來(lái)，又持續(xù)了多久？實(shí)際上，火星目前仍然蘊(yùn)含著大量的水資源，但是其中絕大部分都是以冰的形式存在。在火星的兩極區(qū)域覆蓋著巨大的白色冰蓋，其中有大量的固態(tài)二氧化碳，同樣也蘊(yùn)含著大量的水資源。

火星的土壤里也儲(chǔ)存有大量的冰。鳳凰號(hào)探測(cè)器在它的降落地點(diǎn)就曾經(jīng)探測(cè)到水的存在，而好奇號(hào)探測(cè)器通過(guò)自身所攜帶的火星樣本分析設(shè)備（ Sample Analysis at Mars）也在火星土壤中檢測(cè)到了水的存在�？茖W(xué)家們估計(jì)，在火星表層，每立方米的土壤中可能含有超過(guò)30升水，這些火星水資源足夠供未來(lái)到達(dá)火星建立科學(xué)基地或是永久居住地的人類取用。

另一方面，火星曾經(jīng)擁有的大量水資源確實(shí)已經(jīng)流失，以水蒸氣的方式進(jìn)入到太空中�；鹦撬�資源流失最重要的原因正在于火星逐漸失去了自身致密的大氣層，這使得火星無(wú)法維持自身的表面溫度和大氣壓，液態(tài)水不復(fù)存在，地表的樣貌和狀態(tài)也逐漸發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，成為一顆看上去光禿禿的紅色星球。是什么原因讓火星失去了它的大氣層？地球又是怎樣保全了自身的大氣層？可能正是兩顆行星極其細(xì)微的差別，決定了它們各自不同的命運(yùn)。

消失的磁場(chǎng)

火星的直徑只有地球一半左右，體積大約為地球的15%�；鹦堑拿芏纫猜孕∮诘厍�，因此其質(zhì)量大約只有地球的11%，表面引力自然不及地球，大約是地球表面引力的38%。因?yàn)橐�力作用較弱，火星的大氣層厚度達(dá)到11.1公里，相較于地球大氣層8公里的厚度更高，但是其溫度更低，平均分子量更低。論起密度，火星大氣層遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如地球大氣層致密，無(wú)法起到調(diào)節(jié)溫度和保護(hù)行星表面水資源的作用。

目前火星的大氣層非常稀疏（這讓人類的火星探測(cè)器在降落到火星地面時(shí)難度極大），火星的地表氣壓還不到地球的1%�；鹦亲鳛樘�陽(yáng)系內(nèi)第二小的行星，引力作用相對(duì)微弱，因而無(wú)法擁有一個(gè)致密的大氣層。但進(jìn)一步的研究顯示，與地球引力的差距可能并不是使火星最終失去其大部分大氣的主要原因�；鹦窃缙诘拇髿鈱涌赡苓h(yuǎn)比現(xiàn)在的大氣層更加致密，而其發(fā)生變化的根本原因在于火星大氣層與太陽(yáng)風(fēng)（solar wind）的直接作用。

所謂“太陽(yáng)風(fēng)”，指的是從太陽(yáng)外層射出的高能帶電粒子流。太陽(yáng)風(fēng)的速度可以達(dá)到每小時(shí)160萬(wàn)公里，吹向整個(gè)太陽(yáng)系。太陽(yáng)風(fēng)的高能粒子到達(dá)火星，可以與火星大氣層中的粒子發(fā)生相互作用，使火星大氣層中的粒子獲得巨大的能量，因而不再受到火星引力的制約。美國(guó)航空航天局發(fā)射的“火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)”探測(cè)器于2014年到達(dá)火星軌道，探測(cè)火星的大氣狀況。這個(gè)探測(cè)器直接觀測(cè)到了火星大氣與太陽(yáng)風(fēng)相互作用的過(guò)程。這些來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子使火星大氣層頂端的粒子獲得了巨大的能量，從而得以離開(kāi)火星，最終離開(kāi)太陽(yáng)系。

洞察號(hào)奔赴火星表面 圖源：NASA

直接觀測(cè)到火星大氣與太陽(yáng)風(fēng)的相互作用，對(duì)于理解火星的歷史，乃至于理解地球的發(fā)展過(guò)程都有重要的作用，也有助于人們預(yù)測(cè)火星的未來(lái)。根據(jù)MAVEN探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，科學(xué)家估計(jì)火星大氣層每秒鐘大約會(huì)失去100克的分子飛向太空。在這些損失中包含氧氣，二氧化碳和氫氣，都是構(gòu)成生命的重要物質(zhì)。而在太陽(yáng)系形成初期，太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于現(xiàn)在，因此火星失去大氣分子的速度會(huì)更高于現(xiàn)在。正是數(shù)十億年來(lái)不斷受到太陽(yáng)風(fēng)的侵?jǐn)_，讓火星失去了最外層，也是最重要的大氣保護(hù)，讓火星地面上的大部分水分以水蒸氣的形式進(jìn)入了太空。通過(guò)對(duì)于火星大氣層的直接探測(cè)，科學(xué)家們也得知，以目前火星稀疏的大氣層仍然足以抵擋太陽(yáng)風(fēng)的高能帶電粒子直接襲擊到火星地面——這對(duì)于志在送宇航員親自到火星進(jìn)行探索，乃至建立永久的火星基地的人類來(lái)說(shuō)算是一件好事。

太陽(yáng)風(fēng)在極大程度上摧毀了火星的大氣層，讓火星環(huán)境發(fā)生了根本性的變化，這樣的悲劇會(huì)不會(huì)同樣發(fā)生在地球上？起碼在目前看來(lái)，人類還無(wú)需為此擔(dān)心。從根本上來(lái)說(shuō)，地球之所以在幾十億年的時(shí)間里一直生機(jī)盎然，保有致密的大氣層不至于受到太陽(yáng)風(fēng)的襲擊，是因?yàn)樵诘厍虻牡睾藚^(qū)域，主要是由高壓下的液態(tài)金屬構(gòu)成。地核中液態(tài)金屬的流動(dòng)而形成了一個(gè)全球性的磁場(chǎng)。這個(gè)由強(qiáng)大磁場(chǎng)所覆蓋的區(qū)域被稱為磁層（magnetosphere）。地球磁層有如一個(gè)強(qiáng)大的保護(hù)盾，讓地球大氣層頂端的氣體分子不必直接與太陽(yáng)風(fēng)中的高能粒子發(fā)生相互作用，因此地球大氣層中分子的流失速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及火星大氣層，也就使得地球在幾十億年的時(shí)間里，始終被致密的大氣層所包裹，從而調(diào)節(jié)地面溫度，保護(hù)地球的水資源。只要地球的內(nèi)核不冷卻，地球的全球性磁場(chǎng)不消失，人類就不會(huì)失去強(qiáng)大的磁層，也就不必?fù)?dān)心失去地球大氣層。

與地球進(jìn)行對(duì)比，人們就容易理解，火星之所以在太陽(yáng)風(fēng)的作用下失去了可以維持其地表溫度和保護(hù)水資源的大氣層，根本原因可能就在于火星沒(méi)有一個(gè)全球性的磁場(chǎng)可以與太陽(yáng)風(fēng)相抗衡，只能讓其大氣層直接與太陽(yáng)風(fēng)中的高能帶電粒子相作用。從這個(gè)結(jié)果反推，也就可以想象，在火星形成的初期，它的自然環(huán)境可能與地球類似，適合生命的存在。科學(xué)家們推測(cè)，在大約43億年前，火星曾經(jīng)擁有過(guò)全球性的海洋，其水量可能比地球北冰洋的水量更大，結(jié)果隨著火星大氣層的逐漸衰弱，火星海洋中的大部分水分都逐漸化為水蒸氣，消失在了太空之中。

圖源：NASA

那么，火星是否也曾經(jīng)像地球一樣，擁有一個(gè)全球性的磁場(chǎng)？根據(jù)探測(cè)，現(xiàn)在的火星雖然沒(méi)有全球性的磁場(chǎng)，但是火星地殼的一部分區(qū)域卻被磁化了。這說(shuō)明在之前，火星擁有一個(gè)全球性的磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)磁極變換。很有可能的情況是，火星在大約40億年前就失去了全球性磁場(chǎng)的保護(hù)�；鹦蔷烤故窃鯓邮�去了自身的全球性磁場(chǎng)，目前人類還沒(méi)有確切的答案。這有可能是由于小行星的撞擊，也有科學(xué)家懷疑是因?yàn)榛鹦堑膬?nèi)核不再像地核一樣充滿融化的金屬，而是逐漸冷卻，失去了流動(dòng)性，導(dǎo)致了全球性磁場(chǎng)的消失。

關(guān)于火星的種種謎題，還需要人類在未來(lái)對(duì)其進(jìn)行更精確的探測(cè)。目前，在火星表面上還有“好奇號(hào)”（Curiosity），“毅力號(hào)”（Perseverance）火星車，“洞察號(hào)”（InSight）火星探測(cè)器等設(shè)備在進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。剛剛抵達(dá)火星表面的“祝融號(hào)”也只是中國(guó)一系列火星探測(cè)任務(wù)的開(kāi)始。在未來(lái)，中國(guó)還將發(fā)射一系列火星探測(cè)器，計(jì)劃把在火星上取得的樣本送回地球。

對(duì)火星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)是全人類的共同目標(biāo)。通過(guò)研究火星，人類將更詳細(xì)的理解地球自身形成和發(fā)展的過(guò)程，更準(zhǔn)備的預(yù)測(cè)地球的未來(lái)，也必定會(huì)更深刻的理解生命的本質(zhì)。在這個(gè)全新且重要的科學(xué)命題面前，中國(guó)已經(jīng)通過(guò)“祝融號(hào)”走在了世界面前，中國(guó)科學(xué)家們必定將擔(dān)起越來(lái)越重要的職責(zé)。