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）▼

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(xù)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）▼

這些探索

已經(jīng)讓火星的面貌

變得愈發(fā)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）

▼

火星上

究竟發(fā)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(fā)？

（夜空中的火星，攝影師@Tea-tia）

▼

現(xiàn)在就讓我們通過這篇文章系統(tǒng)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(shù)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）▼

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）▼

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 ）▼

此后

一系列大規(guī)模撞擊事件

仍然持續(xù)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(chǎn)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(guī)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）▼

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(tài)

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）▼

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）▼

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）▼

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(chǎn)生

中小型撞擊事件則取代它們

繼續(xù)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）

▼

縱觀火星的碰撞時代和隨后的歷史

火星上產(chǎn)生的撞擊坑

數(shù)量和規(guī)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(shù)量對比，制圖@鄭藝/星球研究所）

▼

在地球上

人們尚未發(fā)現(xiàn)直徑超過1000km的撞擊坑

即便是6500萬年前

加速恐龍滅絕的?？颂K魯伯撞擊事件

也僅在墨西哥灣淺海區(qū)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?？颂K魯伯撞擊坑地形，制圖@鄭藝/星球研究所）

▼

?

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）▼

?

但這并不意味著

地球比火星經(jīng)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(jīng)過了20多億年的破壞后

僅留下直徑約80km的中央丘陵區(qū)

我們已無法看出它原本的規(guī)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）

▼

?

我們能在地球上得見的撞擊坑

往往非?！靶迈r”

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）

▼

?

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(shù)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）▼

?

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(fā)生在火星內(nèi)部

撞擊產(chǎn)生的能量

使火星內(nèi)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(guī)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）▼

在火星的赤道附近

不斷噴發(fā)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）▼

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）▼

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?shù)茁洳钜矁H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）▼

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）▼

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(guī)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）▼

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(xù)坑洞（火山熔巖管道形成過程示意，制圖@王申雯/星球研究所）▼

由此產(chǎn)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(fā)產(chǎn)生的管道彼此疊加、切割，坍塌成斷續(xù)的坑道，原圖為黑白照片且無比例尺，圖源@NASA）▼

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(jié)理，管道頂部已局部坍塌，圖源@視覺中國）▼

火星的火山時代大約持續(xù)到距今30億年前從那之后火山噴發(fā)變得更加斷斷續(xù)續(xù)規(guī)模也大為減小

如火星北半球的埃律西昂火山區(qū)最近的噴發(fā)可能發(fā)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(qū)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）▼

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(tài)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(nèi)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(fā)后的煙柱，火山噴發(fā)不僅產(chǎn)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）▼

迄今為止

人類已經(jīng)在火星上發(fā)現(xiàn)了許多流水時代的實物證據(jù)2004年機遇號火星車發(fā)現(xiàn)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）▼

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）▼

在氣候濕潤的時期地下水流經(jīng)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(jīng)過一系列化學變化后不穩(wěn)定的鈣質結核轉變?yōu)檩^穩(wěn)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）▼

除了古代火星地下水的實物證據(jù)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(jù)不僅有被流水打磨圓潤的卵石（蓋爾撞擊坑內(nèi)高度磨圓的小卵石，形成于河流環(huán)境，圖源@NASA）▼

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(chǎn)生的痕跡，底圖@NASA，標注@云舞空城&漢青/星球研究所）▼

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?？梢哉业焦糯恿髁粝碌募y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(chǎn)生的痕跡，攝影師@李瓊，標注@云舞空城&漢青/星球研究所）▼就這樣

人們根據(jù)對地球地貌的認識

與火星的地表現(xiàn)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(jīng)過樹枝一般的溪流網(wǎng)絡匯聚成主河道（陶馬西高地南側的瓦伊格谷河道系統(tǒng)，制圖@鄭藝/星球研究所）▼

河流裹挾泥沙繼續(xù)流淌在火星高地上切割出壯觀的峽谷長度動輒達到數(shù)千千米深度亦常有數(shù)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(tài)水流動產(chǎn)生，制圖@鄭藝/星球研究所）▼

當河流流出高地來到地勢低平的平原區(qū)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(nèi)它們轉變?yōu)閹r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）▼

九曲十八彎的外形

像極了地球上那些曲流河

（內(nèi)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）▼

河流繼續(xù)流淌

在一些低洼的地區(qū)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）▼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(jù)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）▼

但不同于地球

火星的江河湖海沒有持續(xù)到今天

大約25億年前

火星的流水時代逐漸結束

液態(tài)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）▼

究竟發(fā)生了什么？為什么火星經(jīng)歷了碰撞時代的動蕩不安經(jīng)歷了火山時代的烈火熔爐經(jīng)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(guī)模巨大的洋中脊和火山鏈

年復一年地噴薄巖漿將地球內(nèi)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(chǎn)生的火山島鏈，火山活動極為頻繁，攝影師@Tony Wang）▼

延綿數(shù)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）▼

但在現(xiàn)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(xiàn)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）

▼

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(xù)到現(xiàn)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）

▼

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(nèi)部衰變產(chǎn)生熱量

也難以留存碰撞時代遺留的熱能

內(nèi)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(huán)形山，火星表面最古怪的地貌之一，可能由小行星撞擊產(chǎn)生，圖源@ESA）▼

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(fā)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(fā)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）▼

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）▼

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(nèi)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(fā)稀薄

氣壓和溫度雙雙下降

液態(tài)水凍結在兩極附近的地表和地下

偶爾升華產(chǎn)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）▼

氣溫繼續(xù)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）▼

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(chǎn)物，圖源@NASA）▼

?

沙漠開始在火星廣泛出現(xiàn)

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）▼

火星的死亡時代從距今25億年前延續(xù)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）▼

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）▼

火星已經(jīng)幾乎死去所有曾經(jīng)的動蕩與迸發(fā)的力量都已被埋藏在時光的深處它用自己最殘破的姿態(tài)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(xù)數(shù)十億年的沉寂隨著人類越發(fā)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(chǎn)生出強大的磁場保護著大氣層不受太陽風侵襲以適當?shù)膲毫蜏囟群亲o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(chǎn)生的發(fā)光效應，攝影師@Tea-tia）▼

?

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）▼

令火山噴涌不息（2021年3月19日起開始噴發(fā)的冰島法格拉達爾火山，圖源@視覺中國）▼

?

令江河奔流不止（新疆伊犁河谷，攝影師@馬俊華）▼

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）▼

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）▼

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(jīng)歷了61年的探索后火星仍然隱藏著許多奧秘我們已經(jīng)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?nèi)ダ^續(xù)解讀繼續(xù)驗證繼續(xù)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）▼

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(shù)十乃至上百年里人類將會繼續(xù)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(fā)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@Tea-tia）▼

本文創(chuàng)作團隊

主筆：云舞空城

編輯：所長

圖片：潘晨霞

地圖：鄭藝

設計：王申雯&漢青


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