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本帖被 wowoni 执行加亮操作(2021-05-18)
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2021年5月15日7时18分中国火星探测器天问一号正式着陆火星地表它携带的祝融号火星车即将开启一段全新的旅程（“祝融号”火星车登陆示意图，制图@郑艺/星球研究所）▼ 它们不但寄托着中国人的星际探索梦想还把人类持续了61年的火星探索推向了新的高度（1960-2021人类火星探测任务汇总，制图@王申雯/星球研究所）▼ 这些探索已经让火星的面貌变得逐渐清晰火星与地球几乎同时诞生形同姊妹似乎有机会成为“另一个地球”但如今地球生机勃勃、活力四射火星却寒冷干燥、满目荒凉成了一个近乎死去的世界（2021年3月毅力号火星车拍摄的火星地表，图源@NASA）▼火星上究竟发生了什么？为何变成了死去的 “另一个地球”天问一号探测器和祝融号火星车又将在火星探索什么？（夜空中的火星，摄影师@Tea-tia）▼ 01碰撞时代大约46亿年前年幼的太阳系里尘埃微粒正在聚集无数石块、星子、行星胚胎横冲直撞结合成更大的岩石星球原始火星就这样诞生了（火星在太阳系中位置示意，行星间相对位置有调整，标注@郑伯容&汉青/星球研究所）▼ 紧接着至少44.8亿年前另一个行星胚胎与原始火星相撞火星的样貌从此大为改变（火星全球影像，图中的大型沟壑地貌为 水手大峡谷，图源@NASA）▼ 撞击引起了剧烈的岩浆活动使得火星地势南高北低南半球以高原地形为主地壳较厚北半球以平原地形为主地壳较薄人们称之为“地壳二分性”（请横屏观看，火星地形示意图，火星“海拔”的起点是 火星大地水准面，是一个人为定义的曲面；在地球上，海洋的大地水准面与海平面重合，制图@郑艺/星球研究所 ）▼ 此后一系列大规模撞击事件仍然持续不休又在南高北低的大背景上制造出一系列巨型撞击坑在北半球若干个巨型撞击坑彼此相近碰撞产生的熔岩首先在坑底冷却然后又被泥砂石块逐渐填平融合成规模惊人的北方大平原（火星北半球地形示意图，制图@郑艺/星球研究所）▼ 其中祝融号火星车刚刚登陆的乌托邦平原是火星上已知的最大撞击坑直径超过3300km由于面积过于巨大登陆其上的人类探测器几乎观察不到任何“坑”的形态只有一望无际的乱石荒原故而得名“ 平原”（1979年维京2号着陆器拍摄的乌托邦平原，乱石上结满白色冰霜，这里也是祝融号火星车的着陆地，图源@NASA）▼ 而在火星南半球大小不一的撞击坑遍布地表看起来伤痕累累（火星南半球地形示意图，可见密集的撞击坑，制图@郑艺/星球研究所）▼ 海拉斯平原是南半球最大的撞击坑也是火星地表最深的撞击坑东西长度超过2500km南北长度超过1400km最大深度超过7300m几乎可以 “放入”整 个青藏高原（海拉斯平原与青藏高原对比，制图@郑艺/星球研究所）▼这些巨型撞击坑主要形成于大约42-37亿年前堪称“碰撞时代”的高潮但从距今37亿年起巨型撞击坑基本停止产生中小型撞击事件则取代它们继续为火星地表增添疤痕（请横屏观看，好奇号火星车从盖尔撞击坑中央丘陵回望，近景是裸露在地表的古代岩层，从中可以认识撞击坑的演化历史，该撞击坑形成于约36亿年前，直径150km，图源@NASA）▼ 纵观火星的碰撞时代和随后的历史火星上产生的撞击坑数量和规模都十分惊人其中直径超过1000km的撞击坑已有5个得到确认直径超过1km的撞击坑更是超过了38万个远超地球（火星与地球撞击坑数量对比，制图@郑艺/星球研究所）▼ 在地球上人们尚未发现直径超过1000km的撞击坑即便是6500万年前加速恐龙灭绝的希克苏鲁伯撞击事件也仅在墨西哥湾浅海区域留下了直径约180km的撞击坑它是地球第二大的撞击坑但放在火星上却毫不起眼（墨西哥希克苏鲁伯撞击坑地形，制图@郑艺/星球研究所）▼而地球上已知的最大撞击坑是位于南非的弗里德堡撞击结构形成于20.2亿年前原始直径仅有约300km如果放在火星上只能位列第三梯队（南非弗里德堡撞击坑地形，制图@郑艺/星球研究所）▼ 但这并不意味着地球比火星经历了更少的撞击事件而是因为地球有着更活跃的地质运动和更频繁的雨雪风霜二者早已将大量撞击坑“磨平”以南非的弗里德堡撞击坑为例原本300km直径的撞击坑在经过了20多亿年的破坏后仅留下直径约80km的中央丘陵区我们已无法看出它原本的规模（撞击坑破坏示意，地层抬升会使古老的撞击坑逐渐风化消失，制图@王申雯/星球研究所）▼ 我们能在地球上得见的撞击坑往往非常“新鲜”而稍稍假以时日它们同样会被快速“磨平”（请横屏观看，巴林杰撞击坑，形成于约5万年前，直径仅有1.19km，图源@视觉中国）▼ 正是这两种力量的强弱差异改变了地球和火星的面貌在火星的大部分历史中地质运动和雨雪风霜并不活跃不仅使40多亿年前的巨型撞击坑得以幸存更使为数众多的中小撞击坑一并保留（火星维多利亚撞击坑，直径约800m，机遇号火星车曾在此工作，图源@NASA）▼ 但这些或大或小的疤痕仅仅是碰撞对火星外表的改变更加深远的改变发生在火星内部撞击产生的能量使火星内部变得活跃异常开启了塑造火星的第二个时代02火山时代至少40亿年前熔岩开始从火星地下大规模喷出宣告了火山时代的到来（请横屏观看，火星火山分布图，制图@郑艺/星球研究所）▼ 在火星的赤道附近不断喷发的火山令熔岩在地表反复流淌竟然形成了一个占火星表面积约25%的巨型火山高原塔尔西斯火山高原（塔尔西斯火山高原地形图，火星“海拔”的起点是 火星大地水准面，是一个人为定义的曲面；在地球上，海洋的大地水准面与海平面重合，制图@郑艺/星球研究所）▼ 四座海拔14000m以上的巨大火山成为高原的“中流砥柱”其中西北部的奥林匹斯山海拔达到21229m是太阳系中最高大的单体火山（奥林匹斯山影像，颜色表示海拔，图源@NASA）▼ 它们远高于地球上任何一座山峰即使从太平洋海底算起地球最大的超级火山夏威夷岛其顶底落差也仅有9300米依然相形见绌（请横屏观看，火星奥林匹斯山与部分地球山峰对比，制图@汉青/星球研究所）▼ 从宏观的角度这些火山的庞大体量冠绝整个太阳系使人类感到陌生甚至恐惧但从微观的角度形形色色的火星火山地貌却又与地球的火山地貌颇为相似在火星的熔岩平原上熔岩一边流动一边冷却堆积出麻绳一样的外观（埃律西昂平原上的一处火山熔岩，堆积出绳状外观，原图为黑白照片且无比例尺，图源@NASA）▼ 与地球活火山周围一边流动一边冷却的熔岩有着类似的外观（夏威夷熔岩流表面的绳状外观，规模小于上图火星地表的绳状结构，但二者成因类似，图源@ 视觉中国）▼ 当熔岩的表面逐渐冷却转入地下的管道流动还会在火星上形成庞大的地下洞穴体系极易坍塌成线性峡谷或连续坑洞（火山熔岩管道形成过程示意，制图@王申雯/星球研究所）▼ 由此产生了蠕虫一般的坑道或线性排列的椭圆坑洞广泛分布在火山四周（火星奥林匹斯山附近的熔岩管道，不同时期喷发产生的管道彼此叠加、切割，坍塌成断续的坑道，原图为黑白照片且无比例尺，图源@NASA）▼ 而在地球上冰岛、夏威夷等地也常见类似的火山熔岩管道（冰岛的古代熔岩管道，地表可见熔岩冷却留下的柱状节理，管道顶部已局部坍塌，图源@ 视觉中国）▼ 火星的火山时代大约持续到距今30亿年前从那之后火山喷发变得更加断断续续规模也大为减小如火星北半球的埃律西昂火山区最近的喷发可能发生在距今5.3万年前但最令人称奇的并非它的年轻而是它周围类似河道的地貌（埃律西昂火山区地形图，山坡上的熔岩管道流向低洼地，转化成疑似河道的结构，制图@郑艺/星球研究所）▼ 火山熔岩管道顺坡而下向山脚的平原延伸开来逐渐拥有了像河流一样曲折的形态像河流一般蜿蜒消失似乎在暗示火星的火山时代里还隐藏着潺潺的流水03流水时代在火星诞生之初水分子与尘埃共同汇聚大量的水被“封禁”在星球内部的岩石里在碰撞时代和火山时代水蒸汽从岩浆中升腾出来当温度稍稍下降蒸汽凝结成雨雨水第一次降落这颗星球宣告了流水时代的到来（意大利埃特纳火山喷发后的烟柱，火山喷发不仅产生大量的火山灰，也会将巨量的水蒸汽释放出来，图源@ 视觉中国）▼ 迄今为止人类已经在火星上发现了许多流水时代的实物证据2004年机遇号火星车发现了“ 小蓝莓结构”一种由含铁矿物构成的球状结核散落在火星撞击坑的地表（被称作“小蓝莓”的火星含铁矿物结核，由赤铁矿构成，直径若干毫米，图源@NASA）▼ 它们是火星古代地下水的杰作与美国犹他州沙漠里散落遍地的“摩奇石球”有着基本相同的成因（美国犹他州沙漠里的“ 摩奇石球”，图源@ 视觉中国）▼ 在气候湿润的时期地下水流经地下岩层一些溶解矿物聚集沉淀将周围的岩石颗粒粘合成结核经过一系列化学变化后不稳定的钙质结核转变为较稳定的铁质结核在岩石遭受风化破坏后散落一地（结核形成与脱落示意，结核是沉积岩中的常见构造，在地球和火星都可以找到，制图@王申雯/星球研究所）▼ 除了古代火星地下水的实物证据2011年以来在盖尔撞击坑里探测的好奇号火星车还找到了许多古代火星地表水流的实物证据不仅有被流水打磨圆润的卵石（盖尔撞击坑内高度磨圆的小卵石，形成于河流环境，图源@NASA）▼ 还有具备特殊纹理的砂岩地层共同记录了古代奔涌的河流（请横屏观看，火星盖尔撞击坑砂岩交错层理示意，该处砂岩的纹路即为“交错层理”，是流水堆积砂粒产生的痕迹，底图@NASA，标注@云舞空城&汉青/星球研究所）▼  在地球的砂岩地层里记录岩石身世的纹理十分常见如丹霞地貌的砂岩山体中常可以找到古代河流留下的纹理（乐山大佛砂岩交错层理示意，乐山大佛开凿于丹霞山体上，砂岩里可见密集的交错层理，它们是流水堆积砂粒产生的痕迹，摄影师@李琼，标注@云舞空城&汉青/星球研究所）▼  就这样人们根据对地球地貌的认识与火星的地表现象进行对比推演出属于火星流水时代的溪流汇聚、江河奔涌、波涛拍岸大约40亿多年前的火星雨水在高地汇聚经过树枝一般的溪流网络汇聚成主河道（陶马西高地南侧的瓦伊格谷河道系统，制图@郑艺/星球研究所）▼ 河流裹挟泥沙继续流淌在火星高地上切割出壮观的峡谷长度动辄达到数千千米深度亦常有数千米（水手谷和卡塞谷地形示意图，部分学者认为，卡塞谷可能由熔岩而非液态水流动产生，制图@郑艺/星球研究所）▼ 当河流流出高地来到地势低平的平原区后它们开始在大地上蜿蜒留下复杂多变的河曲将泥沙堆积在河道内它们转变为岩石后又从强烈的风化破坏过程里幸存在地表凸显出来（伊奥利亚平原的古代火星曲流河道，制图@郑艺/星球研究所）▼ 九曲十八弯的外形像极了地球上那些曲流河（内 蒙古呼伦贝尔草原莫日格勒河，它是典型的曲流河，摄影师@ 刘兆明）▼ 河流继续流淌在一些低洼的地区汇聚形成湖泊与海洋泥沙则在岸边堆积成三角洲（火星杰泽罗撞击坑边缘的三角洲，毅力号火星车正在这里寻找火星古代生命迹象，底图@ESA，标注@汉青/星球研究所）▼  更多的三角洲则分布在北方大平原周围似乎在暗示一个古老的火星海洋曾占据了流水时代的北半球低地而那些大大小小的撞击坑则成为湖泊的所在地（火星主要三角洲分布及可能的早期海洋分布图，制图@郑艺/星球研究所）▼ 但不同于地球火星的江河湖海没有持续到今天大约25亿年前火星的流水时代逐渐结束液态水逐渐冻结、消失今天的火星上流水几乎不复存在只有一些残留的水冰分布在部分撞击坑、两极冰盖和地下（火星北极附近的克洛罗夫撞击坑中残留大量水冰，直径约82km，图源@ESA）▼ 究竟发生了什么？为什么火星经历了碰撞时代的动荡不安经历了火山时代的烈火熔炉经历了流水时代的奔流不息却最终迎来了死亡？04死亡时代我们或许可以从地球与火星的地形差异中获取一些线索在地球上规模巨大的洋中脊和火山链年复一年地喷薄岩浆将地球内部的物质不断带到地表更新地球表面的大气、水和岩石（印尼婆摩罗火山，印度尼西亚的群岛是板块运动产生的火山岛链，火山活动极为频繁，摄影师@Tony Wang）▼ 延绵数千千米的线性山脉在地质历史中 起起落落共同见证着地球 板块运动的生生不息（太空中俯瞰喜马拉雅山脉，画面左侧为中国方向，右侧为印度方向，图源@NASA）▼但在现代火星上人们几乎找不到类似的地貌这里的火山分布零散缺乏线性的火山链和洋中脊就连线性的碰撞山脉也几乎不存在无法证明存在活跃的板块运动只有位于水手谷南方延绵2000km的陶马斯高地呈现出一定的线性特征不排除是古代火星板块碰撞的痕迹（火星与地球地形对比，标注了主要线性山地、火山带和洋中脊，制图@郑艺/星球研究所）▼ 或许在40多亿年前火星有过短暂的局部板块运动但它没有持续到现代而原因可能仅仅是因为火星的身材太过娇小（地球与火星大小示意，底图@NASA，制图@郑伯容/星球研究所）▼ 在冰冷浩渺的宇宙中娇小的火星既无法提供足够的放射性元素在星球内部衰变产生热量也难以留存碰撞时代遗留的热能内部冷却程度远甚于地球以至于无法支持活跃的板块运动这一差异改变了两颗星球后来的历史由于缺少板块运动带来的剧烈地质运动火星的地表远不如地球这般活跃古老的撞击坑得以长期存在穿越40多亿年的光阴留存至今（欧科斯环形山，火星表面最古怪的地貌之一，可能由小行星撞击产生，图源@ESA）▼ 由于缺少板块的横向运动源于地幔深处的岩浆在原地喷发堆积最终形成巨大的火星火山而不会像地球的夏威夷火山一样分散成一连串的火山岛（地球和火星火山喷发示意，是否存在板块运动，是两颗星球火山高度相差悬殊的重要原因，制图@王申雯/星球研究所）▼ 距今约37亿年前或许是因为火星地核温度太低或许是因为某次撞击事件干扰了地核火星的全球磁场逐渐消失太阳风得以直达火星大气层将大气分子“吹”进太空（太阳风破坏大气层原理，制图@汉青/星球研究所）▼ 当时间来到距今约30亿年前火星的巨型火山活动渐渐减弱内部物质难以来到地表大气层和地表水逐渐失去补充在随后的岁月里60%以上的火星大气竟因此消失大气愈发稀薄气压和温度双双下降液态水冻结在两极附近的地表和地下偶尔升华产生的水蒸汽也会很快被太阳风破坏带走从火星消失（请横屏观看，火星北极冰盖，由水冰和干冰构成，图源@ESA）▼ 气温继续下降就连二氧化碳也被冻结形成厚重的“干冰”冰盖（火星南极附近的地表干冰实拍，与红色的泥沙混合在一起，图源@NASA）▼狂风在地表呼啸卷起江河湖海沉积的泥沙用做摧残岩石的武器（火星的雅丹地貌，是古代湖泊泥沙被风力破坏的产物，图源@NASA）▼ 沙漠开始在火星广泛出现庞大的沙丘在地表蔓延（火星沙丘，颜色为人工添加的假彩色，图源@NASA）▼ 火星的死亡时代从距今25亿年前延续至今整个星球的表面陷入沉寂只有偶尔飘过的几缕白云（火星的稀薄云层，由机遇号拍摄，图源@NASA）▼ 和动辄席卷全球的沙尘暴依旧保留些许的活力（2001年一场全球性的火星沙尘暴，给整个星球都被蒙上一层“沙雾”，由哈勃望远镜拍摄，图源@NASA）▼火星已经几乎死去所有曾经的动荡与迸发的力量都已被埋藏在时光的深处它用自己最残破的姿态迎来了人类的探索05“另一个地球”人类的火星探索打破了火星持续数十亿年的沉寂随着人类越发了解火星并将火星的一生与地球的一生进行对比时才体会到地球的与众不同地球有着足够大的身躯至今仍维持着活跃的地核运动产生出强大的磁场保护着大气层不受太阳风侵袭以适当的压力和温度呵护着地表的一切（冰岛极光，极光是地球磁场将部分太阳风粒子引导至两极附近后，轰击大气层产生的发光效应，摄影师@Tea-tia）▼ 还有活跃的地幔运动在超过36亿年的时间里维持着生生不息的板块运动不断重塑地球的表面它令高山起落不定（请横屏观看，远景的喜马拉雅山脉与中景的冈底斯山脉同框，摄影师@孙岩）▼ 令火山喷涌不息（2021年3月19日起开始喷发的冰岛法格拉达尔火山，图源@视觉中国）▼ 令江河奔流不止（新疆伊犁河谷，摄影师@马俊华）▼ 令海洋汹涌不宁（冰岛的黑色海滩，白色浪花与黑色沙滩形成鲜明对比，黄色部位是被植被覆盖的小山，摄影师@何炜）▼ 令地球成为人类无与伦比的家园更成为整个太阳系中独一无二的蓝色宝石（火星轨道上最强大的望远镜HiRISE拍摄的地球和月球，可分辨出地球上蓝色的海洋、棕色的陆地和白色的云层，图源@NASA）▼ 是火星的死气沉沉衬托了地球的活力四射是火星的黯然死亡衬托了地球的生生不息从某种意义上说火星是死去的“ 另一个地球”也是人类认识地球的一面镜子但即便经历了61年的探索火星仍然隐藏着许多奥秘前文所述的各种火星故事许多还停留在科学猜想的层面等待着人们去继续探索继续验证继续去伪存真(2021年2月19日，正在降落火星地表的美国毅力号火星车，图源@NASA）▼ 而这些探索不应也不会缺少中国科学家的身影刚刚登陆的天问一号探测器和祝融号火星车将是他们的眼睛和耳朵在未来的数十乃至上百年里火星的秘密终将被人类破译火星的地表终将被人类亲自拜访它的过去、现今和将来它的物产、风景和可能存在的生命都将被拉进人类的视野成就一段属于宇宙时代的浪漫
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