火星——地球的孪生兄弟

潘永信，中国科学院院士，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，“天问一号”首次火星探测任务首席科学家。他长期从事地球和行星物理前沿研究，带领团队利用“天问一号”获得的第一手科学数据，在火星地形地貌、地下结构、物质成分、磁场等领域取得了一批高水平的科研成果，提升了我国在火星科学研究领域的国际影响力。　　

2021年5月15日我国发射的“天问一号”探测器的着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，实现了我国首次地外行星着陆。火星作为地球的近邻，其探测的科学价值十分突出。研究显示，火星历史上曾存在大量液态水，甚至可能是汪洋大海，但现在为何变成了一颗荒芜的“沙漠星球”？人类未来能否移居火星？　　

火星——地球的孪生兄弟　　

火星是在太阳系内侧的第四颗行星，和地球是一对“孪生兄弟”。蓝色的地球生机盎然，红色的火星满目荒凉，没有任何生命的迹象。在体积上，火星只是地球的六分之一，质量是地球的十分之一，重力大约是地球的三分之一。火星成分主要是以二氧化碳为主，占到96%，基本上没有氧气，和地球差别很大。火星和地球也存在着很多相似之处，都是四季分明，每一天的长度差不多，也存在着稀薄的大气。　　

一眼望去，火星是一个荒芜、苍凉、干涸的红色星球。我们中国人自古以来就对火星充满了憧憬和幻想。中国古人认为它荧荧像火，飘忽不定，令人迷惑，有“荧荧火光，离离乱惑”之意，称它为“荧惑”。　　

为什么火星看上去是红色的？这是因为火星上存在大量的赤铁矿，使得火星显示出红色。火星上的赤铁矿又来自哪里呢？火星上铁的含量很高，这些含铁的矿物在火星氧化的环境下，经过30多亿年非常漫长的过程，形成大量的赤铁矿。　　

火星表面有很多奇特的景观，太阳系最高的山峰——奥林匹斯山就位于火星，它的高度为21公里，宽度可达600公里，是一个巨大火山形成的高山。为什么在地球上没有出现这么高的山呢？因为地球上有板块构造，陆地板块都在活动，一些陆地会消失到大陆下面，这些运动就使得地球的火山不可能在长时间里面形成一个连续的喷发，而火星基本上是一个死寂的、没有板块构造运动的星球。这是地球和火星非常大的区别。火星上还有太阳系最大的峡谷，长度超过4000公里，宽度可达200公里以上，最深处有七八公里，目前还没有搞清楚它的成因。　　

实际上，火星也被认为是和地球最相似的一颗行星。通过对比我国柴达木盆地和火星的地形地貌的研究，我们可以发现在相同的地质作用下形成的相同地貌特征。基于此，我们可以通过地球来分析火星上这些地形地貌的成因。反过来，我们也可以通过火星上的一些现象来认识和保护地球。    

“天问一号”　　有人说火星的现在，有可能是我们地球的明天，这会不会成为现实，还需要科学来回答。人类在20世纪60年代就开启了探测火星之旅，在进入21世纪以后，人类对于火星又掀起了探测的高潮，探测的主要目标是火星上有没有水，有没有生命，它的环境是否宜居。在2020年，我国的“天问一号”也奔赴火星，踏上“探火之旅”。　　

“天问一号”探测器由两部分构成，下面是环绕器，主要完成“奔火飞行”、环绕探测和中继通信任务，上面是着陆巡视器，主要完成着陆任务，它里面搭载了我国第一辆火星车“祝融号”，可以在火星表面展开巡视探测。祝融在中国传统文化中被尊为火神，寓意着点燃中国星际探测的火种，指引我们对浩瀚星空和宇宙未知接续探索，不断超越。　　

作为我国首次火星探测任务，发射“天问一号”的科学目标是对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行探测。“祝融号”着陆火星的过程很成功。在进入火星后，“祝融号”先后经历气动减速、伞降减速和动力减速，最后通过一个悬停避障，软着陆在火星的表面。这个过程是极具挑战性的，这时的探测器已经距离地球有3亿多公里之远，所有的过程都要通过预先设置的自主控制程序完成。　　

“祝融号”的车速可达每小时200米，爬坡角度可以达到30度。它在行驶火星表面时特意留下了不少“中”字形的车辙，代表着中国印记。“祝融号”降落地在火星北部的乌托邦平原，它是火星表面一个巨大的撞击坑，“祝融号”对这个地区的地质地貌、物质成分、环境、地下结构以及气象状况等进行了探测。　　

“祝融号”采取边走边探的探测方式，它搭载了很多探测工具，比如多光谱相机、地形相机、次表层的雷达、磁场探测仪和气象测量仪。光谱分析就像给火星上的岩石做一次全面体检。而“祝融号”上的多光谱相机，能针对某一个目标拍摄8张图片，我们根据每张图片不同的光谱波段，可以判断火星表面物质的成分，研究火星地质演化和气候环境变化过程，寻找可能存在的水资源等。火星表面成分探测仪，则像一个微型的自动实验室，它首先发射一束高能激光打在岩石上，局部的高温足以把岩石从固体变成气体，并在冷却过程中产生等离子体，通过光谱分析，科学家们就能确定岩石的化学成分。这有助于我们揭示火星过去的水文环境、火山活动，以及生命存在的线索。科学家们还特地为“天问一号”量身打造了一套“超级天线”，用于将收集到的数据传回数亿公里之远的地球。　　

截至2023年1月，“祝融号”已行驶1900多米，获得了大量宝贵的第一手科学探测数据，包括地形、地貌、物质成分、雷达地球物理信息，以及磁场信息等等，这为我国开展火星科学探测积累了宝贵的科学数据。    

火星水痕　　

19世纪末，意大利天文学家斯基帕雷利在通过望远镜观测火星时，发现它表面存在着一系列纵横交错的直线状网络，他由此绘制了一幅火星地图，上面记录了整整40条河道，当他的观测报告被翻译成英文时，河道被翻译成了一个带有强烈人工色彩的词——运河。于是，有人怀疑火星上也有像我们一样的智慧生命，他们建造了纵横交错的运河系统。直到航天时代到来，火星上的真实影像和探测数据不断传回地球，人们对火星运河的认识才发生了颠覆性变化。1965年，美国的“水手4号”成为人类第一个飞越火星的探测器，它传回了第一张火星表面的照片。这张遍布陨石坑、毫无生机、一片死寂的照片，震惊了科学界。后续的探测任务发现了更多证据，彻底打消了人们关于火星有“运河”的猜测。火星上虽然没有“运河”，但有很多流水的痕迹，像冲沟、跟水流有关的河道、三角洲、冲积扇等等。除此之外，火星表面也分布着大量与水作用相关的一些矿物，比如蓝色的层状硅酸盐、粉色的二氧化硅和黄色的氯化物，还有绿色的碳酸盐和硫酸盐，这些矿物都是在有水活动的情况下形成的。　　

现今火星上究竟有没有水？美国的火星勘测轨道器——MRO通过拍摄同一个地区不同季节的图像发现，温暖季节时就会出现一些流痕，寒冷季节时流痕就会消失，说明在这些地区有过液态水的流动，也许是水，也许是别的液体的流动。　　

美国的“凤凰号”在着陆火星北半球高纬度地区过程中发现，着陆区的下方有冰的图像，在着陆区的支架上还看到了液珠的出现。火星上的气温是极低的，平均气温在零下60多度，还能出现液态，这是能够出现的吗？科学家发现在高氯酸盐浓度达到30%以上时，在零下70度也可以形成液珠，所以在这些地区可能存在着高盐的一些卤水。　　“祝融号”在着陆的地方也取得了一系列的重要发现。“祝融号”在巡视时，在沙丘表面上看到一些水活动的痕迹，包括看到一些结壳、裂缝、龟裂、团粒化、一些带状水活动的痕迹，就像有液态水的局部活动之后又消失的一些产物。经过分析，这是一些与水活动相关的盐类矿物和一些蛋白石，就是二氧化硅和铁氧化物胶结形成的沙粒，在盐的作用下结壳，最后形成的地貌。　　

同时，“祝融号”上的短波红外光谱也发现了海水矿物的存在。比如一些蒸发盐、粘土矿物和硫酸盐，这都是在有水的条件下才能形成的，这些结壳形成的过程，就是地下水蒸腾、凝结形成一些薄壳，最后剥蚀出露在地表。这都表明“祝融号”的着陆区在近期有过液态水活动的痕迹。　　

火星地下有没有水？“祝融号”通过它所携带的次表层探测雷达，在地下的结构图像中发现，地下70米范围之内，出现过粒序的变化，意味着这些地区曾经有过古代的洪水。地下有没有水冰层的存在？有理论预测，在火星北部30度左右的地方，可能存在一些地下的水冰。但在“祝融号”着陆区我们没有看到，雷达的信号也没有看到非常明显的水冰层的存在。是不是还有一些卤水或者盐冰充填在颗粒中呢？这种可能性是存在的。　　

虽然我们在乌托邦平原没有看到地下水冰，但火星的极地是存在水冰的，因为在火星的南极、北极都存在着永久性的极冠，它主要是二氧化碳冰和一部分的水冰，呈螺旋状结构，这就说明存在一些消融和生长的过程，特别是在冬天它的厚度会增加，到夏天它的厚度会减小，因此极冠地区的一些层状结构也是我们研究火星古气候、古环境非常重要的对象。　　

美国“毅力号”着陆的耶泽罗盆地，也曾看到过一个巨大的三角洲，这里曾经是一个巨大的湖泊。既然火星早期有大量广泛分布的液态水的活动，那这些水都到哪里去了，是什么原因让这些水消失的。　　根据科学家的研究，它的去处现在有两种说法：第一个就是这些液态水通过和矿物、岩石的作用进入了火星地下；第二个就是火星的液态水逃向了茫茫的太空，因为火星上没有磁场的保护。    

神秘的火星磁场    

火星磁场的形成和消失，是一个极其复杂的科学问题。科学家们认为，火星在最初形成的5到10亿年时间，其内核处会产生强磁场，然后就像地球磁场一样，磁极按照一定周期交替轮换。但火星内核冷却下来之后，它的“磁发动机”就慢慢停止运作了，目前只剩下局部地区还保留着微弱的磁场。失去磁场后，太阳风中的高能带电粒子长驱直入，导致火星环境全面恶化，大气减少，水资源流失，宇宙辐射增强，从而变成了如今荒芜的模样。　　

幸运的是，我们的地球磁场有持续到现在的地球的、生命的演化过程，这些都是在地球磁场的保护之下进行的。    

火星生命遗迹　　

寻找地外生命一直是人类探索深空的目标。火星表面干涸的水系、湖泊和海洋地貌告诉我们，火星存在过液态水，可能也曾是一颗蓝色的星球，或许也孕育出过丰富多彩的生命。尽管今天的火星已经变成了一副荒芜苍凉的模样，沙尘暴频发、平均温度低至零下60摄氏度左右，大气中大约96%都是二氧化碳，但我们能否在这茫茫荒原之上，找到生命的遗迹呢？　　

20世纪70年代，美国发射的“海盗一号”“海盗二号”两颗探测器的任务之一便是探测火星有没有生命活动，经过探测和实验，没有发现支持生命存在的明确证据。　　

还有一些证据，主要是通过探测器到达火星、逼近火星、踏上火星进行原位探测时发现的。美国“好奇号”曾在盖尔盆地探测到在古老的岩石里有细粒的富含有机质的泥岩，还发现一些噻吩类的、芳香族的有机质分子。但是有机物可能来自生命，也可能来自一些有机物的化学合成过程，而不是直接生物的一些产物。“好奇号”也发现了甲烷的季节性波动，但说到甲烷活动，其实现在非生物过程也完全可以形成，所以这有待做进一步研究。　　

火星上究竟有没有生命，一直都是悬而未决的问题。可见，未来在火星探测方面的竞争制高点或者一个热点，就是火星的采样返回。采集火壤并带回难度很大、很复杂，我国计划在2030年前后分两次发射，通过两个探测器组合互相配合，实现火星采样返回。目前，我国工程技术人员正在针对一系列关键技术进行先期攻关，对样品的科学分析将来可能会极大地拓展人类对火星现有的认知。

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