火星的红色面纱下隐藏了哪些秘密?

火星,是太阳系从内往外数的第四颗行星,直径只有地球的一半,拥有着太阳系最极端的地质环境。长期以来,在人们眼中,这颗铁锈色的星球充满了神秘感。本期知否带大家了解这个地球邻居——火星的故事。

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火星以古罗马战神玛尔斯(Mars)的名字命名。古时,火星的天象会被人们当作是一种预兆。火星红色的外表,仿佛在以自己的方式讲述着一个关于“毁灭”的故事。

往数十亿年前数,火星可能会被误认为是地球的“双胞胎”,其表面存在液态水,甚至可能存在生命。而现在的火星就像一片寒冷,贫瘠的沙漠,几乎看不到液态水存在的迹象。

但是,科学家们使用轨道飞行器、着陆器以及火星车进行数十年研究后发现,在风力作用下的火星表面下可能孕育着微生物,即使它的表面看起来极度贫瘠。

火星的一年和季节轮替

火星直径为6794公里,大约是地球的一半,大小在太阳系中排列第七。其表面重力是地球的37.5%。

火星的自转周期为24.6小时,也就是相当于火星的一个太阳日。火星的旋转轴相对于其绕太阳运行的轨道平面倾斜25.2度,这使得火星的季节变换与地球上非常相似。火星靠近太阳的半球经历春天和夏天,而远离太阳的半球则经历秋天和冬天。在每年的春分和秋分,两个半球也会有相同的光照。

但由于一些原因,火星上的每个季节与地球上的季节还是有所不同。首先,火星与太阳的平均距离比地球要远一半,平均公转轨道的距离为2.29亿公里。这意味着火星公转一周需要更长的时间,从而火星的一年以及每个季节的时间也更长。火星一年有669.6个太阳日,相当于687个地球日;火星的一个季节可以持续194个太阳日,相当于199个地球日。

此外,火星自转轴的角度变化也比地球频繁得多,这导致火星的气候在数千年到数百万年的时间尺度上变化更频繁。而且火星的公转轨道比地球轨道更扁,这意味着一年中火星的公转速度变化更大,从而影响到火星上春分和秋分的时间。火星北半球的春夏季要比秋冬季长得多,其北半球的春季竟比秋季长三分之一左右。

图:火星哥伦比亚山中富含硫的岩石在明亮的蓝色中脱颖而出。岩石的高硫含量和柔软度可能是火星表面曾存在液态水的证据。

还有另一个复杂的因素:火星大气层比地球稀薄得多,这大大减少了火星在其表面附近所能吸收的热量。火星表面温度最高达到21摄氏度,最低可达-142摄氏度。但平均而言,火星表面温度为-62摄氏度,比地球表面的平均温度整整低58摄氏度。

曾经是风和水的世界

火星地貌形成的主要驱动因素是大气。火星大气主要由二氧化碳、氮气和氩气组成。按照地球的标准来说,火星表面的空气简直稀薄得离谱,就连珠穆朗玛峰顶上的大气压大约是火星表面大气压的50倍。尽管空气稀薄,但火星上的风速可达每小时96公里,狂风扬起的尘土会形成巨大的沙尘暴和沙丘。

但从前,火星地表流动的不仅有风,还有液态水。科学家通过火星车已经找到数十亿年前火星表面曾存在湖泊以及河流的明确证据。这意味着在遥远的过去,火星的大气足够稠密,能够保留足够的热量,使得表面的水能够保持液态。但如今火星的情况与从前大相径庭:尽管地表以下和极地冰川中存有大量水冰,但我们并没有发现大量的液态水。

图:“机遇号”(OPPOrtunity)火星车在进入火星上“耐力陨石坑”(EnduranceCrater)时捕捉到的自拍照。

火星没有像地球这样活跃的板块构造系统,也没有磁场。由于缺乏这种关键的保护屏障,太阳产生的高能粒子流更容易对火星大气层造成冲击和破坏,这可能解释了为什么火星大气层现在是如此稀薄。但科学家推测,在41.2亿至41.4亿年前的远古时期,火星似乎拥有一个“内部发动机”,为这颗星球的磁场提供动力。到底是什么导致火星的发动机意外关闭?科学家们仍不得而知。

高低起伏的地貌

与地球和金星一样,火星也有山脉、峡谷和火山。但火星表面的地形起伏堪称太阳系之最。整个太阳系最大的火山奥林匹斯山(Olympus Mons)就位于火星,高出火星表面约25公里,是地球上珠穆朗玛峰海拔高度的三倍。但是奥林匹斯山的底部太宽了,大约有600公里宽,所以这座高山的平均坡度只比我们日常生活中的轮椅坡道稍微陡一点。这座山峰是如此巨大,以至于在火星表面绵延起伏到视线之外。如果你站在奥林匹斯山的边缘,其峰顶将超出地平线。

图:火星上的奥林匹斯山是太阳系中最大的火山,比三个珠峰还要高,和整个夏威夷群岛一样宽,但却像煎饼一样平坦。

火星上不仅有最高的山峰,还有太阳系中最深的峡谷。位于奥林匹斯山东南方的水手号谷(Valles Marineris)是火星上最为标志性的大峡谷。水手号谷全长约4000公里,切入火星表面以下7公里。水手号谷比地球上最大的亚利桑那州大峡谷还要深四倍,长五倍,峡谷最宽的地方甚至达到320公里。水手号谷的名字得名于1971年抵达火星轨道的“水手9号”探测器,其也是第一艘成功绕另一颗行星飞行的宇宙飞船。

南北半球大相径庭

大约45亿年前,火星由围绕太阳的气态尘埃盘中聚集而成。随着时间的推移,火星内部分化为地核、地幔和平均64公里厚的外壳。

科学家推测,火星核心很可能像地球一样由铁和镍等重元素组成,但相比于我们地球的地核,火星地核可能含有更多的硫元素。目前最可靠的估计是,火星地核直径约为3411公里,误差约为595公里,但目前科学家还不清楚具体情况。美国国家航空航天局的“洞察号”着陆探测器旨在通过追踪火星上的地震波来揭开火星内部的秘密。

和太阳系的其他行星完全不同,火星的南北半球差别很大。火星北半球的大部分区域是地势低洼的平原,那里的地壳只有30公里厚。然而,火星南半球的高地上遍布着许多死火山,那里的地壳厚度可高达99公里。

火星的两颗卫星

在遥远的过去,火星获得两个形状不规则的小卫星,它们分别是火卫一和火卫二。人类于1877年发现了这两颗卫星,并以罗马神话中玛尔斯和阿芙罗狄蒂(金星)的两个儿子命名。火星卫星是如何形成的目前仍然是个谜。一种可能性是,它们形成于小行星带,并被火星的重力所捕获。但最近的模型却表明,它们也可能是很久以前一次巨大的撞击后由火星上抛出的碎片形成的。

火卫二是两个卫星中较小的一个,每30小时绕火星运行一周,直径不到16公里。其兄弟火卫一身上有许多“伤疤”,遍布着各种陨石坑和横穿表面的深深凹槽。长久以来,科学家们一直在争论火卫一上凹槽的成因。它们是远古撞击后巨石滚过火卫一表面留下的痕迹,还是火星引力将其表面撕扯开来的迹象呢?

无论是什么,火卫一的未来都没有那么美好。每个世纪火卫一和火星的距离就会减少1.8米;在大约5000万年后,火卫一要么会撞上火星表面,要么会成为碎片。

火星的未解之谜

自20世纪60年代以来,人类用机器探索火星的次数超过了地球以外的任何其他行星。目前,来自美国、欧盟、俄罗斯和印度的八项任务航天器要么在围绕火星轨道运行,要么在火星表面漫游。但安全抵达这颗红色星球绝非易事。在1960年以来发射升空的45次火星任务中,26次由于各种原因未能离开地球、飞行途中失联、偏离火星轨道、在火星大气层中燃烧殆尽、在火星表面坠毁或过早宕机。

尽管人类已经向火星发射了十几部探测器,但关于这颗红色星球依然有着诸多未解之谜。

为什么火星的南北半球如此不同?

几十年来,科学家们一直对火星南北半球的巨大差异感到困惑。火星的北半球既平坦又光滑,科学家推测这可能是由曾经流经火星表面的液态水造成的。与此同时,火星南半球表面崎岖不平,坑坑洼洼,平均比北部高出4到8公里。最近的证据表明,火星南北半球的巨大差异是由很久以前一块巨大太空岩石撞击火星造成的。

火星为什么存在甲烷?

2003年欧洲航天局的“火星快车”号宇宙飞船首次在火星大气中发现了甲烷。甲烷是最简单的有机分子。地球大气中的甲烷大部分是由生命产生的,比如牛消化食物就会产生甲烷。由于甲烷被认为在火星大气中只能稳定大约300年的时间,所以科学家怀疑这种气体是最近产生的,但无法确定来源。当然,火山活动等没有生命的情况下也会产生甲烷。欧洲航天局2016年发射的ExoMars航天器正在研究火星大气的化学成分,以了解更多关于甲烷的信息。

火星上还有液态水吗?

尽管有大量证据表明火星表面曾经有液态水,但现在星球表面是否仍然流淌着液态水仍是一个悬而未决的问题。如今火星的大气压太低,大约只有地球的百分之一,液态水无法在其表面存在。然而,在火星斜坡上看到的深色狭窄条纹暗示着每年春天可能有盐水流经表面。

火星上有海洋吗?

许多火星探测任务已经揭示了这颗红色星球上的许多特征,其中有看起来广阔的海洋、河谷网、河流三角洲和需要水形成的矿物质。这些特征表明火星曾经是很温暖的,可以维持液态水的存在。然而,目前的火星早期气候模型无法解释火星表面如何达到这种温度,因为那时的太阳要弱得多。这进而引发了一些质疑:这些特征是否可能是由风或其他机制形成的。不过有证据表明,早期火星的温度足够高,至少在其表面的某个地方存在液态水。其他发现暗示,早期的火星寒冷潮湿,并非像人们经常争论描述的那样寒冷干燥或温暖湿润。

火星上有生命吗?

美国国家航空航天局的维京1号探测器是首个成功登陆火星的航天器,其打开了一个一直悬而未决的谜题:火星上是否存在生命迹象?

维京1号首次尝试在火星上寻找生命,而它的发现引起了激烈的争论。维京1号探测到了像氯甲烷和二氯甲烷这样的有机分子。然而,这些化合物被认为是地球上的污染物,也就是航天器还在地球上时用的清洗液。正如我们所知,因为寒冷、辐射、极度干旱和其他因素,火星表面不利于生命存在。尽管如此,地球上仍有许多生命在极端环境下生存的例子,比如南极的寒冷干燥土壤和智利极度干旱的阿塔卡马沙漠。

事实上,地球上任何有液态水的地方都存在生命,而火星上曾经存在海洋的可能性让许多人怀疑火星上是否有过生命。如果有的话,那现在是否可能依旧存在。回答这些问题可能有助于解释宇宙其他地方是否一样存在生命。

地球上的生命来自火星吗?

南极洲发现的来自火星的陨石具有类似于地球上微生物所形成的结构。尽管此后的许多研究表明这些结构可以用化学而不是生物学来解释,但争论仍在继续。这些发现确实提出了一种大胆的可能性,即地球上的生命其实很久以前就起源于火星,由陨石携带而来。

人类能在火星上生活吗?

要回答火星上是否存在生命,人们可能真的得去那里找到答案。

1969年,美国国家航空航天局的计划是在1981年让人类登陆火星,1988年建立永久性的火星基地。然而星际航行肯定会有科学和技术上的巨大挑战。人类需要面对太空旅行中的恶劣条件:食物、水和氧气的问题、微重力的影响、火灾和辐射的潜在危害以及宇航员在离地球数百万公里的地方封闭生活多年。此外,在星球上着陆、工作、生活以及从那里返回地球一样会有很多挑战。

无论如何,更多的火星探测任务即将到来,其中一些任务旨在帮助寻找火星的生命迹象。美国国家航空航天局的“Mars2020”火星车升空,其会登上火星收集火星岩石样本,并在未来把这些样本带回地球。欧洲航天局和俄罗斯宇航局(Roscosmos)计划联合发射以化学家罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)命名的火星探测器,这部火星车的工作对破译DNA结构至关重要。其将深入探测火星土壤,寻找火星过去和现在是否有生命存在的迹象。阿拉伯联合酋长国还计划发射研究火星大气层的“希望号”火星轨道探测器。

总有一天人类也会加入探索火星的行列。美国国家航空航天局称让人类重返月球的计划是未来登陆火星的第一步。太空探索技术公司SpaceX创始人兼首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)正在打造名为“星际飞船”(Starship)的大型航天器,其部分目的是将人类送上火星。人类最终会在地球南极洲一样在火星表面建立科学基地吗?人类活动将如何影响这颗红色星球?

时间会告诉我们一切。但无论如何,火星将继续成为人类的无限遐想,成为天空和人类故事中反复闪烁的红色灯塔。

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