火星上的液态水

本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），文字：行星不发光，校稿：朝乾

原文标题：《煋，水越来越少了！》

2023 年 04 月 28 日，中科院地质与地球物理研究所的秦小光团队在《科学・进展》上发表一项重要研究成果，表明现代火星上曾经存在过液态水。现代火星并非现在的火星，是指距今 140 万年至距今 40 万年之间的时段，即火星的晚亚马逊纪。

这项研究基于我国“祝融号”火星车的导航地形相机、多光谱相机和火星表面成分探测仪采集的数据，增加了在火星低纬度地区液态水的地面观测证据，并提出了一个火星的水循环模型。这对于探索火星气候演化历史，具有重要意义。

上：祝融号拍摄到火星沙丘表面的水痕迹

下: 水痕迹在沙丘的位置

(图：中科院地质与地球物理研究所 / 秦小光团队)▼

5 月 11 日，中科院国家空间科学中心的刘洋团队又在《科学・进展》上发表了另一项关于火星水活动的重要研究成果。

这项研究基于“祝融号”火星车的导航地形相机和短波红外光谱相机的数据，表明火星表面一种形貌类似沉积岩的板状亮色岩石富含含水硫酸盐等矿物。这标志着我国首次在火星上探测到含水矿物。

上：祝融号观测的岩石及岩石的光谱比较

下：分析推测出的岩石形成过程示意模型

（图：中科院国家空间科学中心 / 刘洋团队）▼

上述研究发表后，引出的相关话题受到公众广泛讨论。

目前还有那些火星探测任务的发现与探测火星生命有关？祝融号发现现代火星存在液态水意味着什么？火星可能有生命存在吗？未来，人类移居火星可能吗？火星上能不能种菜呢？

火星上的“瓦力和伊娃”们

在太阳系的八大行星中，除了地球外，科学家们对八大行星中的火星了解的最多，也最感兴趣。

自 1964 年以来，各国上先后共进行了 47 次火星探测任务，其中有 25 次成功或部分成功，为人类带回了大量的火星资料。

47 次火星探测任务的情况汇总

（图：The planetary society）▼

这些资料不断刷新人们对火星的认识，甚至推翻了旧认知，但毋庸置疑的是 —— 火星上曾经存在过液态水。于是，火星也成了科学家在太阳系中寻找地外生命的主要目标之一。

为了寻找可能存在的火星生命，人类不断发射探测器，这些探测器某种意义上是“跟着水流走”的。其中一个重要动机就是探寻火星生命的蛛丝马迹。

毕竟水乃生命之源

说不定百万年前的火星也是一颗蓝色星球呢

（图：wiki）▼

下面让我们来盘点一下迄今为止那些探测器传回了火星上液态水以及生命相关的科学证据：

1996 年，“火星全球勘测者探测器”在对火星半人马山地区某个疑似冲刷沟壑进行高分辨率拍摄后，发现了由水冲刷而形成的新冲积堆积物。

有趣的是，2005 年“火星全球勘测者探测器”

在同一片地区又发现了新冲击堆积物

（图：NASA）▼

2001 年，“奥德赛火星探测器”对火星北极进行探测，发现火星大气中有微量水蒸气。

“奥德赛火星探测器”上的伽马射线光谱仪 (GRS)

在火星的许多地区发现了大量的水

研究者认为火星地表下的冰足以填满两个密歇根湖

（图：themis.mars.asu.edu）▼

2003 年，“火星快车”在火星探测到风化盐类矿物，发现了一个类似于罗布泊的干枯盐湖。盐类矿物是水挥发后的残留物，这为火星表面曾经存在水提供了证据。

2004 年，“机遇号”证实了火星曾存在液态水，并找到了橄榄岩等化学证据，表明火星曾有过适宜生命存在的环境。

“机遇号”拍摄到的“Robert E”目标岩石

（图：NASA）▼

2011 年，“火星勘测轨道器”拍摄到火星表面或亚表层存在季节性斜坡纹线。经过研究发现，这个季节性斜坡纹区域的矿物，是溶于水后再沉淀富集而成，证明火星上曾存在液态水。

斜坡上细长的深色斑点，推测是由于咸水造成的

这些斑点季节性地沿着靠近火星赤道的斜坡前进

（图：NSAS）▼

2012 年，“好奇号”通过对岩石样品的分析证实了火星曾存在水和适宜生命的环境。

“好奇号”发现了由沙子和砾石组成的砾岩

科学家们认为构成砾岩的鹅卵石的形状和大小

表明它们可能在数十亿年前被水侵蚀过

（图：NASA）▼

2014 年，“火星大气与挥发物演化轨道器”在火星电离层大约 150km 的高空捕获了水分子。

2018 年，“火星快车”的雷达数据表明火星南极冰盖下存在液态水。

最上面的、光滑的、明亮的线是表面

下面是冰层和灰尘

再下方的模糊亮线被解释为液态水

（图：ESA）▼

2020 年，“好奇号”在火星上发现了一种称为“噻吩”的有机化合物。但该有机化合物可以通过生物和非生物两种方式产生。

2020 年，“火星快车”的雷达数据表明火星南极的“古湖泊”被冰下 1.5km 处的“水池”环绕。

利用雷达数据得到的分析图

值大于 15 表明存在液态水 ▼

2021 年，“毅力号”的图像表明冲积平原可能是河流不断冲刷形成，Rochette 岩石也可能是有水流从上游搬运而来。在 Rochette 岩石中发现了橄榄石，辉石，硫酸盐和碳酸盐等。这表明火星上曾经存在水，该任务取得火星土壤和岩石样本返回地球。

“毅力号”在对岩石采样后

不忘留下打卡自拍

（图：NASA）▼

2022 年，“火星全球勘测者”探测器的雷达数据表明火星南极冰盖下有积聚的液态水。

火星南极冰盖看起来像是软乎乎的奶盖

其实是由冰冻的水和冰冻的二氧化碳组成

（图：ESA）▼

2023 年，“祝融号”的图像表明现代火星存在液态水，发现了富含含水硫酸盐等矿物。

未来，例如“ExoMars”计划任务仍致力于寻找更多关于火星水文和生命的证据。

迄今为止，所有火星着陆器在火星上的位置

（图：NASA,wiki,ESA,YouTube）▼

祝融号发现现代火星存在液态水，意味着什么？

综上，大量独立的观测都表明火星曾存在过液态水。尽管目前无法确切估计火星上液态水存在了多久，但从火星表面的古湖泊、冲积扇和三角洲等地貌特征估计，火星上液态水至少存在了上千年。

火星古湖泊、冲积扇和三角洲的分布图

其中，红色代表海拔（高程）较高

蓝色代表海拔（高程）较低

（图：中国地质大学 / 赵健楠团队）▼

这可能意味火星曾有过一个温暖且潮湿的时期，那时火星的大气层也远比现在浓厚，极有可能存在过生命。

然而，科学家至今都没有发现火星曾经的确存在过温湿时期的独立证据，也没有一个恰当的气候模型来解释这个问题。也或许火星本来就没有存在过这样一个温湿的时期，火星上曾存在过液态水可能另有解释。

对火星也曾有过温湿时期的想象

某种程度上也是人类对证明自身“不孤独”的渴望

秦小光团队通过祝融号的数据给出了另一种可能解释，即现代火星存在液态水可能与火星大倾角活动有关。

众所周知，包括地球、火星在内的许多太阳系行星都是“侧着转的”，行星的自转轴与公转轴呈一定倾角，也就是“黄赤交角”，目前地球的倾角大约为 23.44°。地球受到卫星、大质量行星和太阳的引力摄动，会导致地轴倾角发生周期性变化，地球地轴倾角在 21.5~24.5° 之间缓慢变化，周期约 4 万年。这种现象，在火星上也会出现。

“黄赤交角”的存在

是地球上四季变化和五带区分的根本原因

早在现代火星时期，火星可能经历多次火星地轴大倾角时期，古代火星的轨道倾角比现在更大，导致火星极地的冰盖向低纬度方向扩散，这就允许火星在低纬度地区出现大量含盐液态水，或液态湖；而在小倾角时期，例如现在的火星，水汽从低纬度地区回到了极地冰盖。该假设可以很好的解释祝融号传回的图像。

在太阳系历史的大部分时间里

火星的倾角都大于 25 度

与今天的火星相比

这将产生更温暖的夏季和更寒冷的冬季 ▼

较高的倾角可能会引发火星部分水冰的部分融化

下图中朝东斜坡上挑出了微妙的东西走向的山脊

深色和浅色条纹似乎在山脊上向东（下坡）偏转

这也许是火星上古代倾斜驱动的气候变化的印证

（图：NASA）▼

如果确实如此，那么火星上可能从未经历过温暖且潮湿的时期，一直处于死寂状态，甚至可能没有孕育生命的条件和时间。

实际上，迄今为止，在火星上连细菌都没有找到。科学家们已经不再期望可以在现在的火星上找到生命。几乎所有的相关科研结果也都只是某些可能，即便确定了科研结果的有效性，跟发现火星生命也完全不是一回事。

跟火星人一起在火星上吃烧烤的幻想

可以暂时放一放了

不论哪种情况，火星是否存在生命仍需进一步去验证，而最有效和最直接的方法就是直接探测和采样返回，这也是“毅力号”和未来探测器的主要使命。目前，只能寄希望于 2030 年前后“毅力号”采集返回的火星岩石样本（火星岩石的晶体中可能存在微生物）。

上：“毅力号”取样的 Rochette 岩石

圆孔为取样器留下的转孔

下：装有岩石样本的密封样本管

（图：NASA / JPL-Caltech / ASU）▼

宜居？移居！

火星是距离太阳最远的类地行星，表面呈红褐色。火星表面的平均温度低于地球，火星平均大气密度只有地球的约 1%，十分稀薄。

火星大气稀薄的主要原因是磁场较弱（只有地球磁场强度的约 0.1%-0.2%）和质量较小（约地球质量的 10%），使得它无法保持足够的大气层压力来阻止太阳风将其吹散到太空中。

紫外光谱仪下捕捉到的逃逸的火星大气

（图：NASA）▼

这也导致其昼夜温差和季节温差远大于地球。火星的冬季夜晚温度可以降到-140 摄氏度，而夏季白天，最高可达 35 摄氏度。即使同一季节，火星的昼夜温差也可以超过 100 摄氏度。

这种温度环境无疑仍是十分恶劣的，但相较于金星、木卫二和木卫三等其他天体来说好的太多了。它们被认为是太阳系内可能存在生命迹象的天体。2020 年，科学家在金星的高云层中监测到了磷化氢分子，可能是厌氧生物代谢的结果。木卫二和木卫三则被认为存在冰下海洋，温度适宜可能存在生命。

木卫二和木卫三常在科幻作品中成为人类的“太空殖民地”

然而想要移民至此要面对低温、高辐射等诸多问题

在这么看来确实还是火星更“香”一些

（图：NASA）▼

此外，火星的自转周期约为 24 小时 37 分钟，这与地球上的一天接近，而不像在金星上的“度日如年”（金星的自转周期大于公转周期，即“一天”大于“一年”）；火星自转平面与公转平面的夹角约为 25.19°，与地球的 23.44° 相接近，这意味着火星上也有春夏秋冬。

火星位于太阳系的宜居带外围（宜居带是指恒星周围的特定带状区，在其内绕行恒星的行星之表面温度冷热适中，让水能以液态存在于表面），尽管火星表面温度可能在某些地方达到液态水存在的温度，但由于其大气层极为稀薄，且缺乏强大的磁场保护，使得水很难长期存在于火星表面，而且也无法像地球一样调节温度。

因此，火星目前被认为不是一个宜居行星。

太阳系的宜居带

根据测量失控的温室效应和失水演算法

得出太阳系的宜居带范围为 0.99-1.688au

（图：Cornell University）▼

但在整个太阳系中，火星也是唯一经过改造可能适合大规模移居的行星。移居火星的优势之一在于丰富的水资源，目前已探明火星上的水资源储量巨大，若全部融化解冻足可以覆盖整个火星十几米。

前面提到过的南极冰盖如果融化

将足以覆盖地球的整个表面，深度为 11 米

（北极附近充满冰的 Koroliov 陨石坑）

（图：ESA / DLR / FU Berlin）▼

此外，火星还拥有可以阻隔部分辐射的大气。随着未来太阳系宜居带的外移，火星将会变得更加温暖。

移民火星相比于移居月球的主要缺点，在于昂贵的物资运输代价，但这也是可以展望的。

未来如果能充分利用火星上的原位资源，通过 3D 打印建筑材料、水的循环利用和生物以及人工制氧等技术，可以大大降低运输量，降低火星的建设风险和成本。像电影《火星救援》中在火星上开荒将不再是科幻，而成为现实。

只要技术在，不怕开荒难

（图：《火星救援》）▼

《火星救援》有这样一句台词：“一旦你在某个地方种了庄稼，那个地方就是你的殖民地了”。那么，能在火星上种菜吗？科学家们的态度是乐观的。尽管“生物圈二号”计划失败了，但是通过人为的物理化学调控以维持庄稼的生长是可靠的且可行的。

解决了粮食问题

相当于解决了一半的生存问题

（图：《火星救援》）▼

因为火星的土壤里也有很多庄稼生长需要的矿物质，而且庄稼对气压的要求远低于人类（只需要地球表面气压的 5% 即可），建造农场对“大棚”的建筑材料的要求就大大降低了。

一旦能成功的在火星上种菜，那么就意味着在火星上自给自足会成为可能，甚至可以对火星进行一定程度的“地球化”改造。

建立磁层、建立大气层还有提高温度

地球上有的火星上也能有

（火星改造过程的构想 图：wiki）▼

这其中一定会面临技术、资金、政治和伦理上的重重困难，这需要人类致心一处。目前，NASA 正在与 SpaceX 公司合作，计划在 2030 年前后送人类登陆火星，这或将拉开移居火星的序幕。

距离计划中人类登陆火星还有十年左右时间

来凝聚人心、克服眼前的困难

结果如何，将由时间来揭晓

（图：YouTube@spacex）▼

从寻找火星生命到移居火星，以祝融号为代表的火星探测器传回的图像数据点亮了我们心中的希望。这是人类迈向宇宙之路上铮铮誓言的初音，也将成为人类赞歌的重要篇章。

参考资料：

• 1.Xiaoguang Qin et al., Modern water at low latitudes on Mars: Potential evidence from dune surfaces.Sci.Adv.9,eadd8868(2023). DOI:10.1126/sciadv.add8868.

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• 3.赵健楠，史语桐，张明杰等.火星水成地貌研究进展 [J].地质学报，2021,95 (09):2755-2768.DOI:10.19762 / j.cnki.dizhixuebao.2021267.

• 4.卢昌海.探寻生命的踪迹 —— 火星 [J].现代物理知识，2016,28 (03):23-30.DOI:10.13405 / j.cnki.xdwz.2016.03.012.

• 5.https://solarsystem.nasa.gov/planets/mars/in-depth/

• 6.https://www.planetary.org/space-images

• 7.https://www.sciencenews.org/article/mars-perseverance-rover-nasa-water-life

• 8.https://www.sciencenews.org/article/mars-lake-south-pole-ice-surrounded-pools-water

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