互动科普

水世界

撰文 吉姆·贝尔（Jim Bell）

翻译 波特

到2005年2月，“勇气号”（Spirit）火星探索漫游车已经在古谢夫环形山里工作了1年多。这个环形山深达两千米，面积相当于美国的康涅狄格州(约13万平方千米)。古谢夫就位于一条早已干涸的古代河谷尽头，这条河谷比美国科罗拉多大峡谷还大，所以我们漫游车任务小组希望，勇气号能在这里找到证据，证明几十亿年前这个环形山曾经充满了水。然而，在登陆器着陆的那片平地上，漫游车既没有发现湖泊沉积物，也没有找到其他能够证明古谢夫环形山里曾经有水流过的痕迹。在拍摄到的照片里，只有灰尘、沙子和极其干燥的火山岩。

不过，当勇气号爬上距离降落地点2.6千米的哥伦比亚山脉（Columbia Hills）的斜坡时，一切都改变了（为了纪念2003年哥伦比亚号航天飞机失事遇难的7名宇航员，人们用他们的名字分别为火星上几座小山命名，而这条山脉就被称作哥伦比亚山脉）。勇气号艰难地攀上赫斯本德山（Husband Hill，赫斯本德是哥伦比亚号的指挥官）的西坡，车轮撞开石块，在火星的土地上留下了深深的车辙。在一片特别容易打滑的地区——“帕索罗布勒斯”(Paso Robles)，车轮偶然碾开了一些奇特的、发白的沉积物，与我们在古谢夫所见的沉积物大相径庭。实际上，当任务小组注意到这些沉积物的时候，勇气号已经向前驶出了很远，我们立即让它急刹车，掉头绕了回去。

经过进一步的考察，我们断定，那些沉积物是含水硫酸盐矿物，富含铁和镁，就聚集在火星地表的灰尘之下。在地球上，这类沉积物往往出现在咸水蒸发，或地下水与火山气体、熔岩交互作用的地方。这两种过程同样能够在火星上完成（虽然科学家并没有在火星上的古谢夫或其他地方发现活火山，但在这颗行星的早期历史上的确出现过火山喷发）。我们确信，这些被埋在地表之下的硫酸盐，应该是过去古谢夫地区水环境的残余物。

勇气号的偶然发现和机遇号的发现一致。在此之前，机遇号在火星的另一面进行调查，还有一系列人造卫星在轨道上拍摄这颗星球的表面。几十年来，科学家以为，火星一直是一个冰冷、干燥、不宜居住的世界；偶尔泛滥的洪水和被水改造过的矿物也提供了一些证据，不过，人们认为那只是偶然现象，而且发生在非常遥远的过去，也就是46亿年以前，火星形成之初。但在短短几年间，利用漫游车、轨道卫星以及针对火星陨石所作的新研究，却描绘了一幅与先前设想迥然不同的图景。看来，水曾经覆盖了火星表面的许多地区，而且持续了很长时间；这种情况不但出现在火星历史的早期，也可能存在于距今不远的历史时期。这个结论意义深远：如果像地球一样温暖而潮湿的环境曾在火星上频繁出现，并且长期存在，这颗星球上曾经演化出生命的可能性就更大了。

侵蚀与沉积的轮回

早在20世纪70年代，人们就从水手号（Mariner）和海盗号(Viking)探测器拍摄的火星图片中，识别出河流地貌（即由水形成的地质特征），包括由洪水冲蚀出的大量水道和大规模的河谷网络，让人想起地球上的河流水系。火星环球勘测者（Mars Global Surveyor，2006年11月与美国国家航空航天局失去联系）从1997年开始环绕火星飞行，过去10年来发回不少照片。通过这些照片，人们发现，某些环形山和峡谷的侧壁上，留有非常细小而且似乎年代很近的冲沟（水流冲击地面形成的沟渠）。这些观测表明，火星表面或靠近表面的地下曾经存在着液态的水，只是无法证明液态水是否长期存在。以洪水为例，这些水也许只能在火星表面逗留几天或几周，随后就被冰冻、被蒸发，或者渗回地下了。

在海盗号轨道探测器发回的照片上，人们也看到了类似河谷的网络，但看看分辨率更高的照片，就会发现这些沟渠的特征与地球上的河谷并不一致。火星河谷可能完全是由地下水流和地下侵蚀—— 一种被称为基蚀（sapping，地下水在地热的作用下蒸发，侵蚀了上方的岩层）的过程造成的，而不是地表水流动的产物。地下冰层或雪沉积层之下的融水渗出地面，也可能塑造出火星环球勘测者照片中的冲沟。虽然这些令人印象深刻的特征支持了火星上有水的论点，但它们并不能有力地证明这颗红色星球上曾经出现过更温暖、更湿润的环境，曾经像地球一样，长期拥有湖泊和河流。

近几年，卫星图片提供的新证据更加引人注目，它表明稳定的、跟地球相似的环境曾经长期统治着火星。其中最令人欢欣鼓舞的一项发现就是一系列类似河流三角洲的特征。火星环球勘测者拍到了火星上最大最好的三角洲，它出现在一段河谷网络的尽头，这些河谷通向水手谷（Valles Marineris）东南部的埃伯斯沃德环形山（Eberswalde Crater）（见第68页图）。这个排水系统在一个10千米宽、层次分明的扇形地形中走到了尽头，那里沟渠蜿蜒交错，显示出不同的侵蚀程度。对许多地质学家来说，这明显就是三角洲的特点。携带着沉积物的河流，注入浅水湖泊，河口往往就会形成这种三角洲。

与地球上的密西西比河三角洲类似，埃伯斯沃德的扇形结构表明，它曾经多次发育、形状也发生过几次变化——很可能是由于它的古代源流的状况变化而引起的。如果埃伯斯沃德冲积扇的确是古代的河流三角洲，后来被沉积物掩埋，又在近期的侵蚀过程中重见天日，那就说明液态水曾经稳定地流过火星表面，侵蚀形成大量的沉积物，并把它们带到下游。从轨道照片上看，火星的其他地区还存在类似的冲积扇，但是只有在清晰度极高的照片上才能分辨出这些结构，而现在，只有5％的火星表面拥有合乎要求的照片。进一步的轨道拍摄研究将验证河流三角洲的假说，但是想要确定河水流淌了多长时间才能形成这些冲积扇，科学家还需要更准确地测量地形不同位置的绝对年代或相对年代。从轨道上探测，无法得到地形的绝对年代。未来的火星漫游车必须在这些地区取得岩石样品，并送回地球进行更细致的分析或实验，对岩石进行放射性同位素测年。

火星奥德赛（Mars Odyssey）飞船和火星环球勘测者拍摄的高精度图片，还提供了其他证据，证明火星昔日的气候与地球相似。图片显示，在水手谷的高地和山墙上，分布着小规模的河谷网络。过去识别出的河谷网络似乎是地下河的杰作，但这些新发现的河谷却有些不同，它们的特征看似出自降雨、融雪或地表径流（surface runoff）的手笔。比如，这些网络支流密布，从源头到末端，河谷的长度和宽度不断递增。而且，河道的源头都分布在山脊顶部，表明地形曾经被降水或径流塑造过。实际上，这些地形就是最好的证据，证明火星上曾经下过雨。

有人猜测，这些径流特征可能形成于相对较近的时期，也许就在火星形成后10亿年到15亿年之间。为了估计火星地形的形成年代，研究者清点了地貌上撞击坑的数量——这个地区遭受的撞击越多，就说明这里越古老。然而，这种测年法暗藏着许多不确定因素：人们很难把初级陨击坑、次级陨击坑和死火山口区别开来，而且侵蚀作用已经磨灭了某些地区的撞击坑的痕迹。尽管如此，如果能够证明这些地表径流形成的河谷确实比较年轻，那么火星历史中就会有1/3的时间都被类似地球的气候主宰着；如果识别出更加年轻的河谷，那么这段时期持续的时间就可能更加漫长。

观察过这颗星球许多地方的大规模侵蚀和沉积之后，科学家找到了另一项证据支持火星上曾经长期存在液态水的证据。研究者根据轨道探测器拍摄取得的新数据进行计算后发现，在火星历史的最初10亿年中，沉积物沉积和侵蚀的速率比现在快100万倍（在勇气号、机遇号和火星探路者漫游车的着陆地点，目前的风蚀速率已经经过了测定）。以目前机遇号正在考察的本初子午线平原（Merdiani Planum）为例，这片坑坑洼洼的地区方圆约100万平方千米，大部分地形已被严重侵蚀，剥蚀下来的物质被运送到其他地方。没有人知道这些沉积物终归何处——这是火星研究中的一大未解之谜，不过有一点是基本明确的：只靠风的作用，不可能剥离并带走这么多的物质。

在其他地方，比如一些环形山的底部，一些峡谷的底部和侧壁，以及水手谷的裂隙里，交替出现的沉积和侵蚀过程明显制造了大量的堆积物——由数以百计的岩石层堆叠而成，每层岩石的厚度在10米～100米之间。在直径为170千米的盖尔环形山（Gale Crater）内部有个绝佳范例：环形山底部中央一层层堆叠着大量遭到侵蚀的沉积岩。环形山底部的这些岩石层、沟渠和部分被掩埋的撞击坑表明，那里经历过一段漫长而复杂的侵蚀与沉积过程。最令人难以置信的是，这些堆积物竟然堆得比盖尔环形山的边缘还要高出将近1千米。看来，盖尔环形山以及周围区域曾经完全被大量沉积物填埋，可能在一段相当漫长的时期内，环形山被剥蚀而出，又再次遭到填埋，侵蚀和沉积过程交替往复。盖尔环形山最后一次被填埋以后，这些沉积物遭到侵蚀，露出了环形山的底部，不过，中央的堆积物被剥蚀得比较缓慢，这就是它现在还高过环形山边缘的原因。

什么过程能够运输如此大量的沉积物，以至于几乎填埋了整个盖尔环形山地区呢？科学家认为，流水是这个问题的最佳答案。对地球上侵蚀和沉积速率所作的研究表明，风可以移走一部分火星沉积物，这一过程在今天的火星上仍然发生着，只是速率相当缓慢。但我们无法把这些设想全归功到风的作用，数百万立方千米的物质如何能被迅速搬运——这么大规模的物质搬运在火星的早期历史中还不止发生过一次。地球上的流水每天都在搬运大量的沉积物，在火星上，它们同样能够胜任这项工作。

黏土、浆果和波浪

除了仔细观察火星地形以外，科学家还着手在这颗星球的矿物中寻找液态水的证据。长期以来，研究者一直认为，火星从不曾享有长时间的温暖和潮湿气候，原因之一就是，火星的大部分表面还没有被风载尘（wind-borne dust，可以被风吹起的微尘）覆盖，这些地方遍布着一些没有风化的矿物，例如橄榄石（olivine）和辉石(pyroxene)等原始火山矿物。这就等于说水不可能在火星表面上长年流淌不息，因为水会改变矿物的化学成分，使火山岩遭受风化，产生黏土或其他氧化或水合矿物（“水合”是指，水分子或氢氧根离子被结合到矿物的晶体结构中）。

不过事实证明，科学家当初观察火星的距离还不够近。通过新的高清晰轨道图像数据和火星漫游车对火星表面的近距离研究，科学家已经在许多地区都发现了大量的黏土沉积物和其他水合矿物。比如，欧洲航天局火星快车（Mars Express）轨道探测器上的OMEGA设备特别擅长探测火山岩风化形成的矿物，它对火星表面看似最古老的那些地区进行了探测，在没有被灰尘覆盖的地方发现了黏土。这些地区的撞击坑很多，据此可以推断，这些地形肯定形成于火星历史最初10亿年的早期。黏土沉积物散布在火星各处，存在于古代火山岩表面或坑坑洼洼的高地，直到最近才有一部分在侵蚀作用下暴露出来。

新发现的黏土属于页硅酸盐（phyllosilicate），这种矿物由片状结构的硅石组成，片与片之间夹藏着水分子和氢氧根离子。火星上发现的黏土成分多样，可以想见，这些黏土是由不同类型的火山岩经过与水有关的风化作用而形成的。虽然OMEGA设备目前只详细勘察了火星的一小片地区，但这些矿物的发现有力地证明，早期火星上存在着长期的、类似地球的环境。

由于彗星或小行星撞击火星，一些被抛射出来的岩石会离开火星，最终落到地球上，变成所谓的火星陨石。研究者已经在一些火星陨石中，发现了被水改造过的矿物（黏土、水合氧化铁和碳酸盐）。科学家们猜测，与水有关的风化作用可能发生在地下，因为在绝大多数陨石被抛射到太空之前，都位于火星地壳之中，而不是火星的表层岩石。而且，研究人员认为，一些陨石来自火星地壳上相对年轻的部分，所以他们猜想，火星地表之下的风化过程也许到今天还在进行。正在进行中的火星任务和未来的任务，可以通过诸如寻找活泉或热液活动的证据，来验证这一重要假说。而且，新的登陆器、漫游车甚至载人登陆任务都可以装备打钻设备，探索火星地下深处。

火星漫游车的探索为破解这颗红色星球的气候之谜提供了最新的证据。在帕索罗布勒斯地区发现含水硫酸盐矿物之前8个月，当勇气号刚刚挺进哥伦比亚山脉时，漫游车用它的矿物识别仪器检测了一块布满疙瘩的岩石，结果在岩石中发现了赤铁矿。这是一种高度氧化的含铁矿物，在地球上十分常见，属于被水改造的矿物。几个月后，勇气号发现了页硅酸盐和针铁矿（goethite），后者也是一种氧化铁矿物，它的晶体结构中含有来源于水的氢氧根离子，不可能在没有水的情况下生成。看来，哥伦比亚山脉记录了火星上水与岩石交互作用的古代历史，而勇气号任务早期探测的火山岩平原相对年轻，并没有记录这段历史。

当漫游车登上赫斯本德山顶，从另一侧摸索下山，到达南面的盆地时，它找到了更多类似在帕索罗布勒斯表面发现的盐沉积物。可惜，我们没能充分研究这些沉积物，因为季节已经转入漫游车经历的第二个火星冬天，我们不得不让勇气号移动到朝向北面的斜坡，确保它的太阳能板可以获得足够的阳光，驱动机器继续工作。如果一切顺利，当火星上春回大地，我们就会让漫游车重返那片区域，仔细研究那些盐沉积物。

与此同时，机遇号也在本初子午线平原获得了同样引人侧目的发现。着陆后的几周内，漫游车发现了广阔的成层远古沉积岩露头（即露出地表的基岩，可以看到岩石组织或地质结构），这些岩石疏松多孔，而且含有水合矿物和矿物盐。辅以轨道观测，研究者了解到，那里整个地区都分布着这些沉积物。机遇号对成层的岩石露头的研究表明，这种沉积岩向下延伸，厚度达到几十米以上，说明液态水曾经长期在地表流淌。然而，机遇号的分析结果却描绘了火星水世界历史的一个不同时期。漫游车所发现的含水岩石中，包含了大量的富硫矿物，比如黄钾铁矾（jarosite），而露出地表的沉积岩除了硫之外，还富含氯和溴。所有这些元素在水溶液中都是高度活跃的，暗示沉积物可能是由含盐液态水蒸发形成的。因此，这些岩石露头应该见证了火星的另一段历史时期——本初子午线平原上的池塘和溪流逐渐萎缩，直至最终干涸的过程。

漫游车还在岩石露头中发现了毫米级的、含有赤铁矿的球状颗粒——昵称“蓝莓”（blueberry），这也支持了火星上曾经长期有水的假说。我们认为这些蓝莓就是地质学家口中所说的“结核”（concretion），它们是含铁或含盐的水蒸发时从中沉淀出来的颗粒。如果沉淀过程够慢够均匀，就会生成球状的矿物颗粒。在地球上，一些结核能长到玻璃珠或乒乓球那么大；而火星上所见的球状结核平均尺寸大约只有2～3毫米。当机遇号从着陆点向南移动时，它发现蓝莓越来越小，这说明水环境持续的时间有所变化，或者水蒸发速率改变了。

机遇号甚至还拍摄到一些岩石露头，上面保存了浅水波浪的痕迹。这些类似“花边交错排列”的结构是波浪与砂质沉积物相互作用形成的产物，是2006年年初机遇号向南穿越平原时发现的。

初现端倪

漫游车取得的上述成果凸显出火星上硫的重要意义，硫的积聚大概跟这颗行星早期活跃的火山历史有关。硫和含硫矿物都能溶于水，生成的溶液酸性很强。酸性水会破坏多种矿物，特别是碳酸盐，它还会阻碍另外一些矿物（比如黏土）的生成。火星上硫的积聚可以解释为什么科学家一直没能在火星表面上找到碳酸盐，为什么似乎只有在最古老的地层里才看得到黏土的踪迹。除了本初子午线平原以外，OMEGA设备还在火星上的其他位置探测到了硫沉积物，但一般来说，这些地区看起来比留有黏土的地区更年轻。迄今为止，还从来没有在同一地点看到硫和黏土。

对火星的印象越来越清晰：火星上曾经分布着广阔的水体（水坑、池塘、湖泊、海洋，或者兼而有之），当时的大气肯定比现在更厚，也更温暖，才能保证液态水长期存在于地表。在火星历史的前10亿年里，环境跟地球的非常相似，也许有利于已知生命形式的形成和进化。然而，当硫逐渐积聚增多，火星环境开始转变，水体变酸，行星的地质活动逐渐衰减。“酸雨”不断腐蚀火山岩石，并把早先形成的碳酸盐分解殆尽，黏土逐渐被硫酸盐取代。经年累月，大气越来越稀薄；也许大气中的气体趁着这颗星球的磁场消失时逃进了太空，或许在灾难性的撞击事件中被吹散了，又或者莫名其妙地被封存在地壳中了。火星最终成了今天我们看到的这颗寒冷、干旱的星球。这一连串的事件可以解释，为什么过去几十亿年来岩浆冲出地表形成的火山岩没有遭受风化侵蚀。正是那些原本埋在地下的古老物质，偶然因为撞击、侵蚀或漫游车驶过而重见天日，成了揭露这颗行星过去的关键线索。

不过，这个有关火星的新观点还没得到普遍认同。一些关键问题还有待解答：埃伯斯沃德三角洲上的液态水究竟流淌了多久，是几十年还是几千年？在本初子午线平原或盖尔环形山这些地方，看似被侵蚀掉的沉积物如今身在何方？这些沉积物是否经历过风雨水流等的侵蚀？在火星上到处可见的那些黏土矿物是什么，它们曾是火星地壳的主要成分吗？最让人头疼的是，温暖、潮湿、二氧化碳丰富的环境中应该会形成碳酸盐，但在火星上的任何地方都没有它们的踪影，即使是在更古老的地区，也只找到了黏土。酸性水可以摧毁大块的碳酸盐，但绝不可能摧毁全部，碳酸盐到哪儿去了呢？

也许，在所有这些问题中，最重要的就是早期火星上是否形成了生命？倘若生命形成，当环境发生翻天覆地的变化，变成今天这样的气候时，火星生命也能随之适应进化吗？在很大程度上，答案取决于类似地球的环境条件持续了多久。我们手里的照片或其他数据，虽然也给人留下了深刻的印象，但都无法为我们提供那段温暖、潮湿的历史时期的具体细节。对于火星表面的年代，我们也不够了解。事实证明，在一个经历过多次大规模填埋和剥蚀过程的地表上，想要利用撞击坑的分布密度确定绝对或相对的地质年代，是不可能实现的。更好的办法是从火星上采集样本，送回地球做精确的放射性同位素测年，或者派遣微型测年仪器到火星表面去工作。在此之前，轨道飞行器将继续搜寻关键的矿物沉积物，找出未来登陆器和漫游车最佳的降落地点，这些工作总有一天会明白无误地揭露出水世界在火星上的持续时间。过去几十年中火星上的那些发现只不过是一道甜点，而在这个激动人心的21世纪，机器人探测和最终载人登陆火星才是真正的大餐！