火星上昙花一现的水

火星上昙花一现的水

Shea 发表于 2009-04-05 （本文已刊载于《天文爱好者》杂志2009年第3期）

Richard Kerr 文 Shea 编译

所有研究火星的行星科学家都必须面对两件事情：一是有越来越多的证据显示火星曾经充满了水，二是现在的火星表面已彻底干涸。那么火星上的水到底存在了多长时间呢？

在过去的半个世纪里，人们对于“火星曾经是什么样子？湿润还是干旱？”一直摇摆不一定。对于35亿年前火星上曾经可能拥有生命的期望也是起起落落。但是最近有越来越多的证据表明，火星表面曾经有液态水。在火星历史的早期，火星的表面曾经拥有含盐的浅海、注入火山湖的河流以及色彩斑斓的水成矿物。

这些火星表面曾经湿润的特征将会是美国下一代火星车——价值19亿美元的“火星科学实验室”（MSL）——的探访目标。“火星科学实验室”的探测方针就是“追寻水”，以此来探究火星过去是否能承载微生物。

当媒体纷纷曝料火星曾拥有液态水的时候，另一个问题却慢慢浮出了水面。既然火星表面曾经有水，而现在的火星又是彻底干涸的，那么火星上的液态水到底存在了多长时间？对这个问题的回答直接关系到火星早期是否适合孕育生命。

有远古火星地质学家表示，他绝对相信火星曾经有一段时间极为湿润，但是对于火星曾有长时间的潮湿环境表示怀疑。事实上，美国航空航天博物馆的火星河流地质学家也认为，现在观点几乎更倾向于火星仅仅在一个短暂时期内曾处于温暖潮湿的状态。而其余的时间，也许1000年中的999年，火星的表面都要比地球上的任何一片沙漠还要干冷。因此几乎无法承载生命。

昙花一现的潮湿气候

从2004年“机遇”号火星车在火星的本初子午线平原上发现古老的沙纹开始，对火星早期潮湿气候的认识已经有了巨大的发展。只有地表水——而非地下水——的流动才能够形成探测到的沙纹所具有的特殊形状。同样地，观测到的某些地质结构只能用早已干涸的含盐浅海来解释。事实上，“机遇”号火星车在当地发现的绝大部分含盐沉积物是先由风吹来堆积，然后和含盐的酸性地下水相互作用而形成的。这些地下水渗出地表之后，在沙丘之间的低地

中势必持续存在了相当长的一段时间，否则水成的沙纹就不会形成。但是即便如此，这一片咸水湖也要比地球上盐份最高的地方还要咸得多。

在20世纪70年代末“海盗”号火星探测器发回的照片中，发现了众多的河谷，它们都有着向下延伸达数百米深的沟槽。这些沟槽形成于火星的诺亚时期，也就是大约在火星形成之后的10亿年之内。许多行星地质学家认为是由于水从地下渗出侵蚀而成的。出现在每个河谷源头的水流会冲刷那里的山壁，进而造成塌方，随后水流会慢慢地侵蚀塌方的残骸。同样的过程也造就了地球上的许多山谷。但是最近的研究却显示，原先一直认为是因水渗透而成的博克斯山谷却是由一次或者多次大洪水所造成的。

[图片说明]：流水形成的河谷网在火星上存在的时间大约只有几百年。版权：NASA-JPL。 现在绝大多数的科学家都认为，火星上这些早期树状分叉的河谷和地球上的一样是由于河流而形成的。根据环火星探测器所拍摄的影像资料以及测高仪数据，科学家们将火星上的十大河谷地貌和地球上河谷的地貌特征进行了比较。地球上持续时间更长的河流其河道要更宽，同时地球上河流的下游地区也更为平坦。由此得出结论，即使是在诺亚时期，火星也和现在一样干冷，仅有极为短暂的时间拥有温暖潮湿的气候。

早期的火星和南美洲的阿卡塔马很相似，只不过火星的自然条件要更为极端。通过对河谷网的分析，科学家们发现即使火星上有降雨，那也是以短时间暴雨的形式出现的。因此火星没有时间来形成类似地球上的复杂河流系统。不过，火星上的侵蚀作用却一点也不比地球上的逊色，这更进一步加剧了火星的干旱。

在火星上用不了几百万年的时间降雨就能在山体上形成河谷。但是整个河谷网存在的时间大约只有几百年，最多也就几千年的时间。相对于火星历史的慢慢长河而言，仅仅是沧海一粟。

矛盾的泥潭

虽然河谷网不约而同地都指向了一个干燥的火星，但是行星科学家们也找到了早期火星曾经极为湿润的证据，甚至于可以形成湖泊。因此便出现了大肆渲染的新闻报道，“火星曾长期湿润”、“火星早期极有可能拥有生命”等等。但是很多科学家都认为，这些湖泊来得快去得也快，持续的时间很并不长。

[图片说明]：火星上的三角洲也极为“短命”。版权：NASA-JPL。

火星上曾长期存在湖泊的最新证据来自直径45千米的杰泽罗环形山。使用环火星巡逻者探测器的最新高分辨率照片，科学家发现了明显的交错沉积层特征。这些特征只有在水缓慢的流过三角洲进入湖泊时才能形成，而且水必须在三角洲里停留足够长的时间才能有物质沉积下来。这意味着杰泽罗环形山中曾有一个“长期”存在的湖泊。

但问题是“长期”到底有多长？对于环形山中的水成沉积，科学家们并无异议。但是有不少的证据证据显示这些沉积也可以在短时间内形成。2004年有数值模拟显示，只要几千年的时间就可以形成观测到的沉积现象。因此这对于那些想在火星上寻找生命的人而言，可能又是一个不大不小的“打击”。

火星之水天外来

最近一次关于火星早期水的新闻来自2008年7月中旬的英国《自然》杂志，着实引发了不少媒体的“热炒”。环火星巡逻者探测器上的分光仪在火星上的数千个地方发现了来自黏土的光谱信号，而黏土是必须有水才能形成的。媒体纷纷报道，火星早期曾有几亿年的时间处于温暖、潮湿的状态，是一颗地道的“水”星。

相比较而言，做出这一发现的36位行星科学家们比媒体要低调得多。尽管观测显示火星上有黏土的存在，但是这并不意味着黏土就一定位于火星的表面。而且这些光谱观测的数据和一个几乎永久干旱的火星也并不矛盾。

如果火星表面的水来自“短时间暴雨”的说法是正确的话，那么是什么引发了在火星上出现的短时间强降雨呢？一种观点是天外来客的撞击。有科学家认为，小行星或者彗星的撞击会释放出巨大的能量，这些能量会使得地表下面以及两极的水和冰蒸发进入大气层，然后形成降雨。不过赞成这个观点的人不多。原因是这个理论中所需的巨大撞击只能出现在火星的极早期，因为那个时候恰巧是太阳系形成的初期，天体间撞击事件很频繁也很剧烈。但是这个时间相对于观测到的火星湿润时期而言要早很多。

经过修改和完善之后，新的观点又被提了出来。计算发现，由诺亚时期的小规模撞击所导致的温室效应可以持续几百年的时间，其降雨量可以达到18米，可以侵蚀火星表面至少50米。这一结果和行星科学家们的估计大致相符，由此为火星表面的水提供了一个较为合理的解释。

纵观这些结果，似乎会给未来的火星生命探测蒙上一层阴影。不过，在对火星这颗红色的行星进行探测的漫漫长路上，它总能时不时地给我们带来惊喜。

[Science 2008年07月25日]