火星，是太陽系從內(nèi)往外數(shù)的第四顆行星，直徑只有地球的一半，擁有著太陽系最極端的地質(zhì)環(huán)境。長(zhǎng)期以來，在人們眼中，這顆鐵銹色的星球充滿了神秘感。本期知否帶大家了解這個(gè)地球鄰居——火星的故事。
火星以古羅馬戰(zhàn)神瑪爾斯（Mars）的名字命名。古時(shí)，火星的天象會(huì)被人們當(dāng)作是一種預(yù)兆?；鹦羌t色的外表，仿佛在以自己的方式講述著一個(gè)關(guān)于 “毀滅”的故事。
往數(shù)十億年前數(shù)，火星可能會(huì)被誤認(rèn)為是地球的 “雙胞胎”，其表面存在液態(tài)水，甚至可能存在生命。而現(xiàn)在的火星就像一片寒冷，貧瘠的沙漠，幾乎看不到液態(tài)水存在的跡象。
但是，科學(xué)家們使用軌道飛行器、著陸器以及火星車進(jìn)行數(shù)十年研究后發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)力作用下的火星表面下可能孕育著微生物，即使它的表面看起來極度貧瘠。
火星的一年和季節(jié)輪替
火星直徑為 6794 公里，大約是地球的一半，大小在太陽系中排列第七。其表面重力是地球的 37.5%。
火星的自轉(zhuǎn)周期為 24.6 小時(shí)，也就是相當(dāng)于火星的一個(gè)太陽日?；鹦堑男D(zhuǎn)軸相對(duì)于其繞太陽運(yùn)行的軌道平面傾斜 25.2 度，這使得火星的季節(jié)變換與地球上非常相似?；鹦强拷柕陌肭蚪?jīng)歷春天和夏天，而遠(yuǎn)離太陽的半球則經(jīng)歷秋天和冬天。在每年的春分和秋分，兩個(gè)半球也會(huì)有相同的光照。
但由于一些原因，火星上的每個(gè)季節(jié)與地球上的季節(jié)還是有所不同。首先，火星與太陽的平均距離比地球要遠(yuǎn)一半，平均公轉(zhuǎn)軌道的距離為 2.29 億公里。這意味著火星公轉(zhuǎn)一周需要更長(zhǎng)的時(shí)間，從而火星的一年以及每個(gè)季節(jié)的時(shí)間也更長(zhǎng)。火星一年有 669.6 個(gè)太陽日，相當(dāng)于 687 個(gè)地球日；火星的一個(gè)季節(jié)可以持續(xù) 194 個(gè)太陽日，相當(dāng)于 199 個(gè)地球日。
此外，火星自轉(zhuǎn)軸的角度變化也比地球頻繁得多，這導(dǎo)致火星的氣候在數(shù)千年到數(shù)百萬年的時(shí)間尺度上變化更頻繁。而且火星的公轉(zhuǎn)軌道比地球軌道更扁，這意味著一年中火星的公轉(zhuǎn)速度變化更大，從而影響到火星上春分和秋分的時(shí)間?；鹦潜卑肭虻拇合募疽惹锒鹃L(zhǎng)得多，其北半球的春季竟比秋季長(zhǎng)三分之一左右。
圖：火星哥倫比亞山中富含硫的巖石在明亮的藍(lán)色中脫穎而出。巖石的高硫含量和柔軟度可能是火星表面曾存在液態(tài)水的證據(jù)。
還有另一個(gè)復(fù)雜的因素：火星大氣層比地球稀薄得多，這大大減少了火星在其表面附近所能吸收的熱量。火星表面溫度最高達(dá)到 21 攝氏度，最低可達(dá) - 142 攝氏度。但平均而言，火星表面溫度為 - 62 攝氏度，比地球表面的平均溫度整整低 58 攝氏度。
曾經(jīng)是風(fēng)和水的世界
火星地貌形成的主要驅(qū)動(dòng)因素是大氣?；鹦谴髿庵饕啥趸?、氮?dú)夂蜌鍤饨M成。按照地球的標(biāo)準(zhǔn)來說，火星表面的空氣簡(jiǎn)直稀薄得離譜，就連珠穆朗瑪峰頂上的大氣壓大約是火星表面大氣壓的 50 倍。盡管空氣稀薄，但火星上的風(fēng)速可達(dá)每小時(shí) 96 公里，狂風(fēng)揚(yáng)起的塵土?xí)纬删薮蟮纳硥m暴和沙丘。
但從前，火星地表流動(dòng)的不僅有風(fēng)，還有液態(tài)水?？茖W(xué)家通過火星車已經(jīng)找到數(shù)十億年前火星表面曾存在湖泊以及河流的明確證據(jù)。這意味著在遙遠(yuǎn)的過去，火星的大氣足夠稠密，能夠保留足夠的熱量，使得表面的水能夠保持液態(tài)。但如今火星的情況與從前大相徑庭：盡管地表以下和極地冰川中存有大量水冰，但我們并沒有發(fā)現(xiàn)大量的液態(tài)水。
圖：“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）火星車在進(jìn)入火星上 “耐力隕石坑”（Endurance Crater）時(shí)捕捉到的自拍照。
火星沒有像地球這樣活躍的板塊構(gòu)造系統(tǒng)，也沒有磁場(chǎng)。由于缺乏這種關(guān)鍵的保護(hù)屏障，太陽產(chǎn)生的高能粒子流更容易對(duì)火星大氣層造成沖擊和破壞，這可能解釋了為什么火星大氣層現(xiàn)在是如此稀薄。但科學(xué)家推測(cè)，在 41.2 億至 41.4 億年前的遠(yuǎn)古時(shí)期，火星似乎擁有一個(gè) “內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)”，為這顆星球的磁場(chǎng)提供動(dòng)力。到底是什么導(dǎo)致火星的發(fā)動(dòng)機(jī)意外關(guān)閉？科學(xué)家們?nèi)圆坏枚?/p>
高低起伏的地貌
與地球和金星一樣，火星也有山脈、峽谷和火山。但火星表面的地形起伏堪稱太陽系之最。整個(gè)太陽系最大的火山奧林匹斯山 (Olympus Mons)就位于火星，高出火星表面約 25 公里，是地球上珠穆朗瑪峰海拔高度的三倍。但是奧林匹斯山的底部太寬了，大約有 600 公里寬，所以這座高山的平均坡度只比我們?nèi)粘Ｉ钪械妮喴纹碌郎晕⒍敢稽c(diǎn)。這座山峰是如此巨大，以至于在火星表面綿延起伏到視線之外。如果你站在奧林匹斯山的邊緣，其峰頂將超出地平線。
圖：火星上的奧林匹斯山是太陽系中最大的火山，比三個(gè)珠峰還要高，和整個(gè)夏威夷群島一樣寬，但卻像煎餅一樣平坦。
火星上不僅有最高的山峰，還有太陽系中最深的峽谷。位于奧林匹斯山東南方的水手號(hào)谷（Valles Marineris）是火星上最為標(biāo)志性的大峽谷。水手號(hào)谷全長(zhǎng)約 4000 公里，切入火星表面以下 7 公里。水手號(hào)谷比地球上最大的亞利桑那州大峽谷還要深四倍，長(zhǎng)五倍，峽谷最寬的地方甚至達(dá)到 320 公里。水手號(hào)谷的名字得名于 1971 年抵達(dá)火星軌道的 “水手 9 號(hào)”探測(cè)器，其也是第一艘成功繞另一顆行星飛行的宇宙飛船。
南北半球大相徑庭
大約 45 億年前，火星由圍繞太陽的氣態(tài)塵埃盤中聚集而成。隨著時(shí)間的推移，火星內(nèi)部分化為地核、地幔和平均 64 公里厚的外殼。
科學(xué)家推測(cè)，火星核心很可能像地球一樣由鐵和鎳等重元素組成，但相比于我們地球的地核，火星地核可能含有更多的硫元素。目前最可靠的估計(jì)是，火星地核直徑約為 3411 公里，誤差約為 595 公里，但目前科學(xué)家還不清楚具體情況。美國(guó)國(guó)家航空航天局的 “洞察號(hào)”著陸探測(cè)器旨在通過追蹤火星上的地震波來揭開火星內(nèi)部的秘密。
和太陽系的其他行星完全不同，火星的南北半球差別很大?；鹦潜卑肭虻拇蟛糠謪^(qū)域是地勢(shì)低洼的平原，那里的地殼只有 30 公里厚。然而，火星南半球的高地上遍布著許多死火山，那里的地殼厚度可高達(dá) 99 公里。
火星的兩顆衛(wèi)星
在遙遠(yuǎn)的過去，火星獲得兩個(gè)形狀不規(guī)則的小衛(wèi)星，它們分別是火衛(wèi)一和火衛(wèi)二。人類于 1877 年發(fā)現(xiàn)了這兩顆衛(wèi)星，并以羅馬神話中瑪爾斯和阿芙羅狄蒂（金星）的兩個(gè)兒子命名?；鹦切l(wèi)星是如何形成的目前仍然是個(gè)謎。一種可能性是，它們形成于小行星帶，并被火星的重力所捕獲。但最近的模型卻表明，它們也可能是很久以前一次巨大的撞擊后由火星上拋出的碎片形成的。
火衛(wèi)二是兩個(gè)衛(wèi)星中較小的一個(gè)，每 30 小時(shí)繞火星運(yùn)行一周，直徑不到 16 公里。其兄弟火衛(wèi)一身上有許多 “傷疤”，遍布著各種隕石坑和橫穿表面的深深凹槽。長(zhǎng)久以來，科學(xué)家們一直在爭(zhēng)論火衛(wèi)一上凹槽的成因。它們是遠(yuǎn)古撞擊后巨石滾過火衛(wèi)一表面留下的痕跡，還是火星引力將其表面撕扯開來的跡象呢？
無論是什么，火衛(wèi)一的未來都沒有那么美好。每個(gè)世紀(jì)火衛(wèi)一和火星的距離就會(huì)減少 1.8 米；在大約 5000 萬年后，火衛(wèi)一要么會(huì)撞上火星表面，要么會(huì)成為碎片。
火星的未解之謎
自 20 世紀(jì) 60 年代以來，人類用機(jī)器探索火星的次數(shù)超過了地球以外的任何其他行星。目前，來自美國(guó)、歐盟、俄羅斯和印度的八項(xiàng)任務(wù)航天器要么在圍繞火星軌道運(yùn)行，要么在火星表面漫游。但安全抵達(dá)這顆紅色星球絕非易事。在 1960 年以來發(fā)射升空的 45 次火星任務(wù)中，26 次由于各種原因未能離開地球、飛行途中失聯(lián)、偏離火星軌道、在火星大氣層中燃燒殆盡、在火星表面墜毀或過早宕機(jī)。
盡管人類已經(jīng)向火星發(fā)射了十幾部探測(cè)器，但關(guān)于這顆紅色星球依然有著諸多未解之謎。
為什么火星的南北半球如此不同？
幾十年來，科學(xué)家們一直對(duì)火星南北半球的巨大差異感到困惑?；鹦堑谋卑肭蚣绕教褂止饣?，科學(xué)家推測(cè)這可能是由曾經(jīng)流經(jīng)火星表面的液態(tài)水造成的。與此同時(shí)，火星南半球表面崎嶇不平，坑坑洼洼，平均比北部高出 4 到 8 公里。最近的證據(jù)表明，火星南北半球的巨大差異是由很久以前一塊巨大太空巖石撞擊火星造成的。
火星為什么存在甲烷？
2003 年歐洲航天局的 “火星快車”號(hào)宇宙飛船首次在火星大氣中發(fā)現(xiàn)了甲烷。甲烷是最簡(jiǎn)單的有機(jī)分子。地球大氣中的甲烷大部分是由生命產(chǎn)生的，比如牛消化食物就會(huì)產(chǎn)生甲烷。由于甲烷被認(rèn)為在火星大氣中只能穩(wěn)定大約 300 年的時(shí)間，所以科學(xué)家懷疑這種氣體是最近產(chǎn)生的，但無法確定來源。當(dāng)然，火山活動(dòng)等沒有生命的情況下也會(huì)產(chǎn)生甲烷。歐洲航天局 2016 年發(fā)射的 ExoMars 航天器正在研究火星大氣的化學(xué)成分，以了解更多關(guān)于甲烷的信息。
火星上還有液態(tài)水嗎？
盡管有大量證據(jù)表明火星表面曾經(jīng)有液態(tài)水，但現(xiàn)在星球表面是否仍然流淌著液態(tài)水仍是一個(gè)懸而未決的問題。如今火星的大氣壓太低，大約只有地球的百分之一，液態(tài)水無法在其表面存在。然而，在火星斜坡上看到的深色狹窄條紋暗示著每年春天可能有鹽水流經(jīng)表面。
火星上有海洋嗎?
許多火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)揭示了這顆紅色星球上的許多特征，其中有看起來廣闊的海洋、河谷網(wǎng)、河流三角洲和需要水形成的礦物質(zhì)。這些特征表明火星曾經(jīng)是很溫暖的，可以維持液態(tài)水的存在。然而，目前的火星早期氣候模型無法解釋火星表面如何達(dá)到這種溫度，因?yàn)槟菚r(shí)的太陽要弱得多。這進(jìn)而引發(fā)了一些質(zhì)疑：這些特征是否可能是由風(fēng)或其他機(jī)制形成的。不過有證據(jù)表明，早期火星的溫度足夠高，至少在其表面的某個(gè)地方存在液態(tài)水。其他發(fā)現(xiàn)暗示，早期的火星寒冷潮濕，并非像人們經(jīng)常爭(zhēng)論描述的那樣寒冷干燥或溫暖濕潤(rùn)。
火星上有生命嗎?
美國(guó)國(guó)家航空航天局的維京 1 號(hào)探測(cè)器是首個(gè)成功登陸火星的航天器，其打開了一個(gè)一直懸而未決的謎題：火星上是否存在生命跡象?
維京 1 號(hào)首次嘗試在火星上尋找生命，而它的發(fā)現(xiàn)引起了激烈的爭(zhēng)論。維京 1 號(hào)探測(cè)到了像氯甲烷和二氯甲烷這樣的有機(jī)分子。然而，這些化合物被認(rèn)為是地球上的污染物，也就是航天器還在地球上時(shí)用的清洗液。正如我們所知，因?yàn)楹?、輻射、極度干旱和其他因素，火星表面不利于生命存在。盡管如此，地球上仍有許多生命在極端環(huán)境下生存的例子，比如南極的寒冷干燥土壤和智利極度干旱的阿塔卡馬沙漠。
事實(shí)上，地球上任何有液態(tài)水的地方都存在生命，而火星上曾經(jīng)存在海洋的可能性讓許多人懷疑火星上是否有過生命。如果有的話，那現(xiàn)在是否可能依舊存在?；卮疬@些問題可能有助于解釋宇宙其他地方是否一樣存在生命。
地球上的生命來自火星嗎？
南極洲發(fā)現(xiàn)的來自火星的隕石具有類似于地球上微生物所形成的結(jié)構(gòu)。盡管此后的許多研究表明這些結(jié)構(gòu)可以用化學(xué)而不是生物學(xué)來解釋，但爭(zhēng)論仍在繼續(xù)。這些發(fā)現(xiàn)確實(shí)提出了一種大膽的可能性，即地球上的生命其實(shí)很久以前就起源于火星，由隕石攜帶而來。
人類能在火星上生活嗎？
要回答火星上是否存在生命，人們可能真的得去那里找到答案。
1969 年，美國(guó)國(guó)家航空航天局的計(jì)劃是在 1981 年讓人類登陸火星，1988 年建立永久性的火星基地。然而星際航行肯定會(huì)有科學(xué)和技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)。人類需要面對(duì)太空旅行中的惡劣條件：食物、水和氧氣的問題、微重力的影響、火災(zāi)和輻射的潛在危害以及宇航員在離地球數(shù)百萬公里的地方封閉生活多年。此外，在星球上著陸、工作、生活以及從那里返回地球一樣會(huì)有很多挑戰(zhàn)。
無論如何，更多的火星探測(cè)任務(wù)即將到來，其中一些任務(wù)旨在幫助尋找火星的生命跡象。美國(guó)國(guó)家航空航天局的 “Mars2020”火星車升空，其會(huì)登上火星收集火星巖石樣本，并在未來把這些樣本帶回地球。歐洲航天局和俄羅斯宇航局 (Roscosmos)計(jì)劃聯(lián)合發(fā)射以化學(xué)家羅莎琳德 · 富蘭克林 (Rosalind Franklin)命名的火星探測(cè)器，這部火星車的工作對(duì)破譯 DNA 結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。其將深入探測(cè)火星土壤，尋找火星過去和現(xiàn)在是否有生命存在的跡象。阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)還計(jì)劃發(fā)射研究火星大氣層的 “希望號(hào)”火星軌道探測(cè)器。
總有一天人類也會(huì)加入探索火星的行列。美國(guó)國(guó)家航空航天局稱讓人類重返月球的計(jì)劃是未來登陸火星的第一步。太空探索技術(shù)公司 SpaceX 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官埃隆 · 馬斯克 (Elon Musk)正在打造名為 “星際飛船”(Starship)的大型航天器，其部分目的是將人類送上火星。人類最終會(huì)在地球南極洲一樣在火星表面建立科學(xué)基地嗎？人類活動(dòng)將如何影響這顆紅色星球？
時(shí)間會(huì)告訴我們一切。但無論如何，火星將繼續(xù)成為人類的無限遐想，成為天空和人類故事中反復(fù)閃爍的紅色燈塔。
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