一个多月后,中国火星探测器天问一号就要正式着陆火星地表,开启一段全新的旅程。天问一号不但寄托着中国人的星际探索梦想,还要将人类持续了61年的火星探索推向新的高度。这些探索已经让火星的面貌变得愈发清晰。火星与地球几乎同时诞生,形同姊妹,似乎有机会成为“另一个地球”。但如今,地球生机勃勃、活力四射,火星却寒冷干燥、满目荒凉,漫天沙尘将天空染成淡淡的红色,成了一个近乎死去的世界。火星上究竟发生了什么?
为何与地球命途迥异?我们又为何要向它不断进发?
大约46亿年前,年幼的太阳系里,尘埃微粒正在聚集,无数石块、星子、行星胚胎横冲直撞,结合成更大的岩石星球,原始火星就这样诞生了。紧接着,至少44.8亿年前,另一个行星胚胎与原始火星相撞,火星的样貌从此大为改变。撞击引起了剧烈的岩浆活动,使得火星地势南高北低,南半球以高原地形为主,地壳较厚,北半球以平原地形为主,地壳较薄,人们称之为“地壳二分性”。
此后,一系列大规模撞击事件仍然持续不休,又在南高北低的大背景上制造出一系列巨型撞击坑。在北半球,若干个巨型撞击坑彼此相近,碰撞产生的熔岩首先在坑底冷却,然后又被泥砂石块逐渐填平,融合成规模惊人的北方大平原。其中,乌托邦平原是火星上得到确认的最大撞击坑,直径超过3300km。由于面积过于巨大,登陆其上的人类探测器几乎观察不到任何“坑”的形态,只有一望无际的乱石荒原,故而得名“平原”。
而在火星南半球,大小不一的撞击坑遍布地表,看起来伤痕累累。海拉斯平原是南半球最大的撞击坑,也是火星地表最深的撞击坑,东西长度超过2500km,南北长度超过1400km,最大深度超过7300m,几乎可以“放入”整个青藏高原。这些巨型撞击坑主要形成于大约42-37亿年前,堪称“碰撞时代”的高潮。但从距今37亿年起,巨型撞击坑基本停止产生,中小型撞击事件则取代它们,继续为火星地表增添疤痕。
纵观火星的碰撞时代和随后的历史,火星上产生的撞击坑数量和规模都十分惊人。其中,直径超过1000km的撞击坑已有5个得到确认,直径超过1km的撞击坑更是超过了38万个,远超地球。在地球上,人们尚未发现直径超过1000km的撞击坑,即便是6500万年前加速恐龙灭绝的希克苏鲁伯撞击事件,也仅在墨西哥湾浅海区域留下了直径约180km的撞击坑。它是地球第二大的撞击坑,但放在火星上却毫不起眼。
而地球上已知的最大撞击坑是位于南非的弗里德堡撞击结构,形成于20.2亿年前,原始直径仅有约300km。如果放在火星上,只能位列第三梯队。但这并不意味着地球比火星经历了更少的撞击事件,而是因为地球有着更活跃的地质运动和更频繁的雨雪风霜,二者早已将大量撞击坑“磨平”。
正是这两种力量的强弱差异,改变了地球和火星的面貌。在火星的大部分历史中,地质运动和雨雪风霜并不活跃,不仅使40多亿年前的巨型撞击坑得以幸存,更使为数众多的中小撞击坑一并保留。
但这些或大或小的疤痕,仅仅是碰撞对火星外表的改变,更加深远的改变发生在火星内部。撞击产生的能量使火星内部变得活跃异常,开启了塑造火星的第二个时代。至少40亿年前,熔岩开始从火星地下大规模喷出,宣告了火山时代的到来。在火星的赤道附近,不断喷发的火山令熔岩在地表反复流淌,竟然形成了一个占火星表面积约25%的巨型火山高原——塔尔西斯火山高原。
四座海拔14000m以上的巨大火山成为高原的“中流砥柱”,其中西北部的奥林匹斯山海拔达到21229m,是太阳系中最高大的单体火山。它们远高于地球上任何一座山峰,即使从太平洋海底算起,地球最大的超级火山夏威夷岛其顶底落差也仅有9300米,依然相形见绌。
从宏观的角度,这些火山的庞大体量冠绝整个太阳系,使人类感到陌生甚至恐惧。但从微观的角度,形形色色的火星火山地貌却又与地球的火山地貌颇为相似。在火星的熔岩平原上,熔岩一边流动一边冷却,堆积出麻绳一样的外观。与地球活火山周围一边流动一边冷却的熔岩有着类似的外观。
当熔岩的表面逐渐冷却,转入地下的管道流动,还会在火星上形成庞大的地下洞穴体系,极易坍塌成线性峡谷或连续坑洞。由此产生了蠕虫一般的坑道或线性排列的椭圆坑洞,广泛分布在火山四周。而在地球上,冰岛、夏威夷等地也常见类似的火山熔岩管道。
火星的火山时代大约持续到距今30亿年前,从那之后,火山喷发变得更加断断续续,规模也大为减小。如火星北半球的埃律西昂火山区,最近的喷发可能发生在距今5.3万年前,但最令人称奇的并非它的年轻,而是它周围类似河道的地貌。火山熔岩管道顺坡而下,向山脚的平原延伸开来,逐渐拥有了像河流一样曲折的形态,像河流一般蜿蜒消失,似乎在暗示火星的火山时代里,还隐藏着潺潺的流水。
在火星诞生之初,水分子与尘埃共同汇聚,大量的水被“封禁”在星球内部的岩石里。在碰撞时代和火山时代,岩浆将水蒸汽不断宣泄到大气。当温度稍稍下降,蒸汽凝结成雨,雨水第一次降落这颗星球,宣告了流水时代的到来。迄今为止,人类已经在火星上发现了许多流水时代的实物证据。2004年,机遇号火星车发现了“小蓝莓结构”,一种由含铁矿物构成的球状结核,散落在火星撞击坑的地表。
它们是火星古代地下水的杰作,与美国犹他州沙漠里散落遍地的“摩奇石球”有着基本相同的成因。在气候湿润的时期,地下水流经地下岩层,一些溶解矿物聚集沉淀,将周围的岩石颗粒粘合成结核,经过一系列化学变化后,不稳定的钙质结核转变为较稳定的铁质结核,在岩石遭受风化破坏后,散落一地。
除了古代火星地下水的实物证据,2011年以来,在盖尔撞击坑里探测的好奇号火星车还找到了许多古代火星地表水流的实物证据。不仅有被流水打磨圆润的卵石,还有具备特殊纹理的砂岩地层,共同记录了古代奔涌的河流。
在地球的砂岩地层里,记录岩石身世的纹理十分常见。如丹霞地貌的砂岩山体中,常可以找到古代河流留下的纹理。就这样,人们根据对地球地貌的认识,与火星的地表现象进行对比,推演出属于火星流水时代的溪流汇聚、江河奔涌、波涛拍岸。大约40亿多年前的火星,雨水在高地汇聚,经过树枝一般的溪流网络,汇聚成主河道。
河流裹挟泥沙继续流淌,在火星高地上切割出壮观的峡谷,长度动辄达到数千千米,深度亦常有数千米。当河流流出高地,来到地势低平的平原区后,它们开始在大地上蜿蜒,留下复杂多变的河曲,将泥沙堆积在河道内,它们转变为岩石后,又从强烈的风化破坏过程里幸存,在地表凸显出来。九曲十八弯的外形,像极了地球上那些曲流河。
河流继续流淌,在一些低洼的地区汇聚,形成湖泊与海洋,泥沙则在岸边堆积成三角洲。更多的三角洲则分布在北方大平原周围,似乎在暗示一个古老的火星海洋曾占据了流水时代的北半球低地,而那些大大小小的撞击坑则成为湖泊的所在地。
但不同于地球,火星的江河湖海没有持续到今天。大约25亿年前,火星的流水时代逐渐结束,液态水逐渐冻结、消失。今天的火星上,流水几乎不复存在,只有一些残留的水冰分布在部分撞击坑、两极冰盖和地下。
究竟发生了什么?为什么火星经历了碰撞时代的动荡不安,经历了火山时代的烈火熔炉,经历了流水时代的奔流不息,却最终迎来了死亡?我们或许可以从地球与火星的地形差异中获取一些线索。在地球上,规模巨大的洋中脊和火山链年复一年地喷薄岩浆,将地球内部的物质不断带到地表,更新地球表面的大气、水和岩石。
延绵数千千米的线性山脉在地质历史中起起落落,共同见证着地球板块运动的生生不息。但在现代火星上,人们几乎找不到类似的地貌。这里的火山分布零散,缺乏线性的火山链和洋中脊,就连线性的碰撞山脉也几乎不存在,无法证明存在活跃的板块运动。只有位于水手谷南方的陶马斯高地,呈现出一定的线性特征,不排除是古代火星板块碰撞的痕迹。
或许在40多亿年前,火星有过短暂的局部板块运动,但它没有持续到现代,而原因可能仅仅是因为火星的身材太过娇小。在冰冷浩渺的宇宙中,娇小的火星既无法提供足够的放射性元素在星球内部衰变产生热量,也难以留存碰撞时代遗留的热能,内部冷却程度远甚于地球,以至于无法支持活跃的板块运动。
这一差异改变了两颗星球后来的历史。由于缺少板块运动带来的剧烈地质运动,火星的地表远不如地球这般活跃,古老的撞击坑得以长期存在,穿越40多亿年的光阴,留存至今。由于缺少板块的横向运动,源于地幔深处的岩浆在原地喷发堆积,最终形成巨大的火星火山,而不会像地球的夏威夷火山一样分散成一连串的火山岛。
距今约37亿年前,或许是因为火星地核温度太低,或许是因为某次撞击事件干扰了地核,火星的全球磁场逐渐消失,太阳风得以直达火星大气层,将大气分子“吹”进太空。当时间来到距今约30亿年前,火星的巨型火山活动渐渐减弱,内部物质难以来到地表,大气层和地表水逐渐失去补充。
在随后的岁月里,60%以上的火星大气竟因此消失,大气愈发稀薄,气压和温度双双下降,液态水冻结在两极附近的地表和地下,偶尔升华产生的水蒸汽也会很快被太阳风破坏带走,从火星消失。气温继续下降,就连二氧化碳也被冻结,形成厚重的“干冰”冰盖。狂风在地表呼啸,卷起江河湖海沉积的泥沙,用做摧残岩石的武器。
沙漠开始在火星广泛出现,庞大的沙丘在地表蔓延。火星的死亡时代从距今25亿年前延续至今,整个星球的表面陷入沉寂,只有偶尔飘过的几缕白云和动辄席卷全球的沙尘暴依旧保留些许的活力。火星已经几乎死去,所有曾经的动荡与迸发的力量都已被埋藏在时光的深处,它用自己最残破的姿态迎来了人类的探索。
人类的火星探索打破了火星持续数十亿年的沉寂。随着人类越发了解火星,并将火星的一生与地球的一生进行对比时,才体会到地球的与众不同。地球有着足够大的身躯,至今仍维持着活跃的地核运动,产生出强大的磁场,保护着大气层不受太阳风侵袭,以适当的压力和温度呵护着地表的一切。
还有活跃的地幔运动,在超过36亿年的时间里维持着生生不息的板块运动,不断重塑地球的表面。它令高山起落不定,令火山喷涌不息,令江河奔流不止,令海洋汹涌不宁,令地球成为人类生机勃勃的家园,更成为整个太阳系中独一无二的蓝色宝石。
是火星的死气沉沉衬托了地球的活力四射,是火星的黯然死亡衬托了地球的生生不息。从某种意义来说,地球的姊妹星火星,是人类认识地球的一个里程碑,也是死去的“另一个地球”。而在经历了61年的探索后,火星仍然隐藏着许多奥秘,我们已经获取的火星知识也仍有许多还是科学猜想,等待着今天的我们去继续解读,继续验证,继续与地球进行对比。
而在火星之外,太阳系还有着众多的岩石星体,它们也是地球的兄弟姐妹,也与地球有着截然不同的演化故事。在未来的数十乃至上百年里,人类将会继续探索它们的故事,从中挖掘出更多地球的与众不同,只有这样,我们才能更好地理解脚下的蓝色地球为什么是人类无与伦比的家园。