The following article is from 星球研究所 Author 星球研究所
星球研究所
一群國家地理控，專注于探索極致世界
一個多月后
中國火星探測器
天問一號
就要正式著陸火星地表
開啟一段全新的旅程
（中國航天史上首張清晰的火星地表影像，圓形撞擊坑和條狀丘陵清晰可見，由天問一號拍攝，圖源@國家航天局）
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天問一號不但寄托著
中國人的星際探索夢想
還要將人類持續了61年的火星探索
推向新的高度
（1960-2020人類火星探測任務匯總，制圖@王申雯/星球研究所）
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這些探索
已經讓火星的面貌
變得愈發清晰
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
火星卻寒冷干燥、滿目荒涼
漫天沙塵將天空染成淡淡的紅色
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）
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火星上
究竟發生了什么？
為何與地球命途迥異？
我們又為何
要向它不斷進發？
（夜空中的火星，攝影師@Tea-tia）
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現在
就讓我們通過這篇文章
系統地了解
火星的一生
01
碰撞時代
大約46億年前
年幼的太陽系里
塵埃微粒正在聚集
無數石塊、星子、行星胚胎橫沖直撞
結合成更大的巖石星球
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，標注@鄭伯容&漢青/星球研究所）
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緊接著
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）
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撞擊引起了劇烈的巖漿活動
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，制圖@鄭藝/星球研究所 ）
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此后
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
制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
碰撞產生的熔巖首先在坑底冷卻
然后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，制圖@鄭藝/星球研究所）
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其中
烏托邦平原
是火星上得到確認的最大撞擊坑
直徑超過3300km
由于面積過于巨大
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，這里也將成為天問一號火星車的著陸地，圖源@NASA）
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而在火星南半球
大小不一的撞擊坑遍布地表
看起來傷痕累累
（火星南半球地形示意圖，可見密集的撞擊坑，制圖@鄭藝/星球研究所）
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海拉斯平原
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，制圖@鄭藝/星球研究所）
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這些巨型撞擊坑
主要形成于大約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巖層，從中可以認識撞擊坑的演化歷史，該撞擊坑形成于約36億年前，直徑150km，圖源@NASA）
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縱觀火星的碰撞時代和隨后的歷史
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，制圖@鄭藝/星球研究所）
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在地球上
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，制圖@鄭藝/星球研究所）
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而地球上已知的最大撞擊坑
是位于南非的弗里德堡撞擊結構
形成于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，制圖@鄭藝/星球研究所）
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但這并不意味著
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，制圖@王申雯/星球研究所）
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我們能在地球上得見的撞擊坑
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，巴林杰撞擊坑，形成于約5萬年前，直徑僅有1.19km，圖源@視覺中國）
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正是這兩種力量的強弱差異
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并不活躍
不僅使40多億年前的巨型撞擊坑得以幸存
更使為數眾多的中小撞擊坑一并保留
（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）
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但這些或大或小的疤痕
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
熔巖
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，制圖@鄭藝/星球研究所）
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在火星的赤道附近
不斷噴發的火山
令熔巖在地表反復流淌
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，制圖@鄭藝/星球研究所）
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四座海拔14000m以上的巨大火山
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）
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它們遠高于地球上任何一座山峰
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，制圖@漢青/星球研究所）
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從宏觀的角度
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
在火星的熔巖平原上
熔巖一邊流動一邊冷卻
堆積出麻繩一樣的外觀
（埃律西昂平原上的一處火山熔巖，堆積出繩狀外觀，原圖為黑白照片且無比例尺，圖源@NASA）
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與地球活火山周圍
一邊流動一邊冷卻的熔巖
有著類似的外觀
（夏威夷熔巖流表面的繩狀外觀，規模小于上圖火星地表的繩狀結構，但二者成因類似，圖源@視覺中國）
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當熔巖的表面逐漸冷卻
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
（火山熔巖管道形成過程示意，制圖@王申雯/星球研究所）
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由此產生了蠕蟲一般的坑道
或線性排列的橢圓坑洞
廣泛分布在火山四周
（火星奧林匹斯山附近的熔巖管道，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）
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而在地球上
冰島、夏威夷等地
也常見類似的火山熔巖管道
（冰島的古代熔巖管道，地表可見熔巖冷卻留下的柱狀節理，管道頂部已局部坍塌，圖源@視覺中國）
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火星的火山時代
大約持續到距今30億年前
從那之后
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
但最令人稱奇的并非它的年輕
而是它周圍類似河道的地貌
（埃律西昂火山區地形圖，山坡上的熔巖管道流向低洼地，轉化成疑似河道的結構，制圖@鄭藝/星球研究所）
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火山熔巖管道順坡而下
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”在星球內部的巖石里
在碰撞時代和火山時代
巖漿將水蒸汽不斷宣泄到大氣
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
（意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）
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迄今為止
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）
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它們是火星古代地下水的杰作
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）
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在氣候濕潤的時期
地下水流經地下巖層
一些溶解礦物聚集沉淀
將周圍的巖石顆粒粘合成結核
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
在巖石遭受風化破壞后散落一地
（結核形成與脫落示意，結核是沉積巖中的常見構造，在地球和火星都可以找到，制圖@王申雯/星球研究所）
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除了古代火星地下水的實物證據
2011年以來
在蓋爾撞擊坑里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，形成于河流環境，圖源@NASA）
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還有具備特殊紋理的砂巖地層
共同記錄了古代奔涌的河流
（請橫屏觀看，火星蓋爾撞擊坑砂巖交錯層理示意，該處砂巖的紋路即為“交錯層理”，是流水堆積砂粒產生的痕跡，底圖@NASA，標注@云舞空城&漢青/星球研究所）
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在地球的砂巖地層里
記錄巖石身世的紋理十分常見
如丹霞地貌的砂巖山體中
常可以找到古代河流留下的紋理
（樂山大佛砂巖交錯層理示意，樂山大佛開鑿于丹霞山體上，砂巖里可見密集的交錯層理，它們是流水堆積砂粒產生的痕跡，攝影師@李瓊，標注@云舞空城&漢青/星球研究所）
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就這樣
人們根據對地球地貌的認識
與火星的地表現象進行對比
推演出屬于火星流水時代的
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絡
匯聚成主河道
（陶馬西高地南側的瓦伊格谷河道系統，制圖@鄭藝/星球研究所）
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河流裹挾泥沙繼續流淌
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，卡塞谷可能由熔巖而非液態水流動產生，制圖@鄭藝/星球研究所）
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當河流流出高地
來到地勢低平的平原區后
它們開始在大地上蜿蜒
留下復雜多變的河曲
將泥沙堆積在河道內
它們轉變為巖石后
又從強烈的風化破壞過程里幸存
在地表凸顯出來
（伊奧利亞平原的古代火星曲流河道，制圖@鄭藝/星球研究所）
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九曲十八彎的外形
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）
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河流繼續流淌
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
（火星杰澤羅撞擊坑邊緣的三角洲，毅力號火星車正在這里尋找火星古代生命跡象，底圖@ESA，標注@漢青/星球研究所）
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更多的三角洲
則分布在北方大平原周圍
似乎在暗示
一個古老的火星海洋
曾占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
（火星主要三角洲分布及可能的早期海洋分布圖，制圖@鄭藝/星球研究所）
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但不同于地球
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
分布在部分撞擊坑、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）
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究竟發生了什么？
為什么火星
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
年復一年地噴薄巖漿
將地球內部的物質不斷帶到地表
更新地球表面的大氣、水和巖石
（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）
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延綿數千千米的線性山脈
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）
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但在現代火星上
人們幾乎找不到類似的地貌
這里的火山分布零散
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
只有位于水手谷南方
延綿2000km的陶馬斯高地
呈現出一定的線性特征
不排除是古代火星板塊碰撞的痕跡
（火星與地球地形對比，標注了主要線性山地、火山帶和洋中脊，制圖@鄭藝/星球研究所）
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或許在40多億年前
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，制圖@鄭伯容/星球研究所）
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在冰冷浩渺的宇宙中
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
內部冷卻程度遠甚于地球
以至于無法支持活躍的板塊運動
這一差異
改變了兩顆星球后來的歷史
由于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）
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由于缺少板塊的橫向運動
源于地幔深處的巖漿在原地噴發堆積
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，制圖@王申雯/星球研究所）
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距今約37億年前
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，制圖@漢青/星球研究所）
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當時間來到距今約30億年前
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
在隨后的歲月里
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，由水冰和干冰構成，圖源@ESA）
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氣溫繼續下降
就連二氧化碳也被凍結
形成厚重的“干冰”冰蓋
（火星南極附近的地表干冰實拍，與紅色的泥沙混合在一起，圖源@NASA）
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狂風在地表呼嘯
卷起江河湖海沉積的泥沙
用做摧殘巖石的武器
（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）
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沙漠開始在火星廣泛出現
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）
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火星的死亡時代
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云
（火星的稀薄云層，由機遇號拍攝，圖源@NASA）
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和動輒席卷全球的沙塵暴
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）
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火星已經幾乎死去
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
并將火星的一生
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）
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還有活躍的地幔運動
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@孫巖）
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令火山噴涌不息
（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）
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令江河奔流不止
（新疆伊犁河谷，攝影師@馬俊華）
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令海洋洶涌不寧
（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）
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令地球成為人類生機勃勃的家園
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云層，圖源@NASA）
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是火星的死氣沉沉
襯托了地球的活力四射
是火星的黯然死亡
襯托了地球的生生不息
從某種意義來說
地球的姊妹星
火星
是人類認識地球的一個里程碑
也是死去的“另一個地球”
而在經歷了61年的探索后
火星仍然隱藏著許多奧秘
我們已經獲取的火星知識
也仍有許多還是科學猜想
等待著今天的我們去繼續解讀
繼續驗證
繼續與地球進行對比
(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）
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而在火星之外
太陽系還有著眾多的巖石星體
它們也是地球的兄弟姐妹
也與地球有著截然不同的演化故事
在未來的數十乃至上百年里
人類將會繼續探索它們的故事
從中挖掘出更多
地球的與眾不同
只有這樣
我們才能更好地理解
腳下的藍色地球
為什么是人類無與倫比的
家園
（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@