本文來自微信公眾號：地球知識局 （ID：diqiuzhishiju），文字：行星不發(fā)光，校稿：朝乾
原文標題：《煋，水越來越少了！》
2023 年 04 月 28 日，中科院地質與地球物理研究所的秦小光團隊在《科學?進展》上發(fā)表一項重要研究成果，表明現(xiàn)代火星上曾經(jīng)存在過液態(tài)水?，F(xiàn)代火星并非現(xiàn)在的火星，是指距今 140 萬年至距今 40 萬年之間的時段，即火星的晚亞馬遜紀。
這項研究基于我國“祝融號”火星車的導航地形相機、多光譜相機和火星表面成分探測儀采集的數(shù)據(jù)，增加了在火星低緯度地區(qū)液態(tài)水的地面觀測證據(jù)，并提出了一個火星的水循環(huán)模型。這對于探索火星氣候演化歷史，具有重要意義。
上：祝融號拍攝到火星沙丘表面的水痕跡
下: 水痕跡在沙丘的位置
(圖：中科院地質與地球物理研究所 / 秦小光團隊)▼
5 月 11 日，中科院國家空間科學中心的劉洋團隊又在《科學?進展》上發(fā)表了另一項關于火星水活動的重要研究成果。
這項研究基于“祝融號”火星車的導航地形相機和短波紅外光譜相機的數(shù)據(jù)，表明火星表面一種形貌類似沉積巖的板狀亮色巖石富含含水硫酸鹽等礦物。這標志著我國首次在火星上探測到含水礦物。
上：祝融號觀測的巖石及巖石的光譜比較
下：分析推測出的巖石形成過程示意模型
（圖：中科院國家空間科學中心 / 劉洋團隊）▼
上述研究發(fā)表后，引出的相關話題受到公眾廣泛討論。
目前還有那些火星探測任務的發(fā)現(xiàn)與探測火星生命有關？祝融號發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代火星存在液態(tài)水意味著什么？火星可能有生命存在嗎？未來，人類移居火星可能嗎？火星上能不能種菜呢？
火星上的“瓦力和伊娃”們
在太陽系的八大行星中，除了地球外，科學家們對八大行星中的火星了解的最多，也最感興趣。
自 1964 年以來，各國上先后共進行了 47 次火星探測任務，其中有 25 次成功或部分成功，為人類帶回了大量的火星資料。
47 次火星探測任務的情況匯總
（圖：The planetary society）▼
這些資料不斷刷新人們對火星的認識，甚至推翻了舊認知，但毋庸置疑的是 —— 火星上曾經(jīng)存在過液態(tài)水。于是，火星也成了科學家在太陽系中尋找地外生命的主要目標之一。
為了尋找可能存在的火星生命，人類不斷發(fā)射探測器，這些探測器某種意義上是“跟著水流走”的。其中一個重要動機就是探尋火星生命的蛛絲馬跡。
畢竟水乃生命之源
說不定百萬年前的火星也是一顆藍色星球呢
（圖：wiki）▼
下面讓我們來盤點一下迄今為止那些探測器傳回了火星上液態(tài)水以及生命相關的科學證據(jù)：
1996 年，“火星全球勘測者探測器”在對火星半人馬山地區(qū)某個疑似沖刷溝壑進行高分辨率拍攝后，發(fā)現(xiàn)了由水沖刷而形成的新沖積堆積物。
有趣的是，2005 年“火星全球勘測者探測器”
在同一片地區(qū)又發(fā)現(xiàn)了新沖擊堆積物
（圖：NASA）▼
2001 年，“奧德賽火星探測器”對火星北極進行探測，發(fā)現(xiàn)火星大氣中有微量水蒸氣。
“奧德賽火星探測器”上的伽馬射線光譜儀 (GRS)
在火星的許多地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的水
研究者認為火星地表下的冰足以填滿兩個密歇根湖
（圖：themis.mars.asu.edu）▼
2003 年，“火星快車”在火星探測到風化鹽類礦物，發(fā)現(xiàn)了一個類似于羅布泊的干枯鹽湖。鹽類礦物是水揮發(fā)后的殘留物，這為火星表面曾經(jīng)存在水提供了證據(jù)。
2004 年，“機遇號”證實了火星曾存在液態(tài)水，并找到了橄欖巖等化學證據(jù)，表明火星曾有過適宜生命存在的環(huán)境。
“機遇號”拍攝到的“Robert E”目標巖石
（圖：NASA）▼
2011 年，“火星勘測軌道器”拍攝到火星表面或亞表層存在季節(jié)性斜坡紋線。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這個季節(jié)性斜坡紋區(qū)域的礦物，是溶于水后再沉淀富集而成，證明火星上曾存在液態(tài)水。
斜坡上細長的深色斑點，推測是由于咸水造成的
這些斑點季節(jié)性地沿著靠近火星赤道的斜坡前進
（圖：NSAS）▼
2012 年，“好奇號”通過對巖石樣品的分析證實了火星曾存在水和適宜生命的環(huán)境。
“好奇號”發(fā)現(xiàn)了由沙子和礫石組成的礫巖
科學家們認為構成礫巖的鵝卵石的形狀和大小
表明它們可能在數(shù)十億年前被水侵蝕過
（圖：NASA）▼
2014 年，“火星大氣與揮發(fā)物演化軌道器”在火星電離層大約 150km 的高空捕獲了水分子。
2018 年，“火星快車”的雷達數(shù)據(jù)表明火星南極冰蓋下存在液態(tài)水。
最上面的、光滑的、明亮的線是表面
下面是冰層和灰塵
再下方的模糊亮線被解釋為液態(tài)水
（圖：ESA）▼
2020 年，“好奇號”在火星上發(fā)現(xiàn)了一種稱為“噻吩”的有機化合物。但該有機化合物可以通過生物和非生物兩種方式產生。
2020 年，“火星快車”的雷達數(shù)據(jù)表明火星南極的“古湖泊”被冰下 1.5km 處的“水池”環(huán)繞。
利用雷達數(shù)據(jù)得到的分析圖
值大于 15 表明存在液態(tài)水 ▼
2021 年，“毅力號”的圖像表明沖積平原可能是河流不斷沖刷形成，Rochette 巖石也可能是有水流從上游搬運而來。在 Rochette 巖石中發(fā)現(xiàn)了橄欖石，輝石，硫酸鹽和碳酸鹽等。這表明火星上曾經(jīng)存在水，該任務取得火星土壤和巖石樣本返回地球。
“毅力號”在對巖石采樣后
不忘留下打卡自拍
（圖：NASA）▼
2022 年，“火星全球勘測者”探測器的雷達數(shù)據(jù)表明火星南極冰蓋下有積聚的液態(tài)水。
火星南極冰蓋看起來像是軟乎乎的奶蓋
其實是由冰凍的水和冰凍的二氧化碳組成
（圖：ESA）▼
2023 年，“祝融號”的圖像表明現(xiàn)代火星存在液態(tài)水，發(fā)現(xiàn)了富含含水硫酸鹽等礦物。
未來，例如“ExoMars”計劃任務仍致力于尋找更多關于火星水文和生命的證據(jù)。
迄今為止，所有火星著陸器在火星上的位置
（圖：NASA,wiki,ESA,YouTube）▼
祝融號發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代火星存在液態(tài)水，意味著什么？
綜上，大量獨立的觀測都表明火星曾存在過液態(tài)水。盡管目前無法確切估計火星上液態(tài)水存在了多久，但從火星表面的古湖泊、沖積扇和三角洲等地貌特征估計，火星上液態(tài)水至少存在了上千年。
火星古湖泊、沖積扇和三角洲的分布圖
其中，紅色代表海拔（高程）較高
藍色代表海拔（高程）較低
（圖：中國地質大學 / 趙健楠團隊）▼
這可能意味火星曾有過一個溫暖且潮濕的時期，那時火星的大氣層也遠比現(xiàn)在濃厚，極有可能存在過生命。
然而，科學家至今都沒有發(fā)現(xiàn)火星曾經(jīng)的確存在過溫濕時期的獨立證據(jù)，也沒有一個恰當?shù)臍夂蚰Ｐ蛠斫忉屵@個問題。也或許火星本來就沒有存在過這樣一個溫濕的時期，火星上曾存在過液態(tài)水可能另有解釋。
對火星也曾有過溫濕時期的想象
某種程度上也是人類對證明自身“不孤獨”的渴望
秦小光團隊通過祝融號的數(shù)據(jù)給出了另一種可能解釋，即現(xiàn)代火星存在液態(tài)水可能與火星大傾角活動有關。
眾所周知，包括地球、火星在內的許多太陽系行星都是“側著轉的”，行星的自轉軸與公轉軸呈一定傾角，也就是“黃赤交角”，目前地球的傾角大約為 23.44°。地球受到衛(wèi)星、大質量行星和太陽的引力攝動，會導致地軸傾角發(fā)生周期性變化，地球地軸傾角在 21.5~24.5° 之間緩慢變化，周期約 4 萬年。這種現(xiàn)象，在火星上也會出現(xiàn)。
“黃赤交角”的存在
是地球上四季變化和五帶區(qū)分的根本原因
早在現(xiàn)代火星時期，火星可能經(jīng)歷多次火星地軸大傾角時期，古代火星的軌道傾角比現(xiàn)在更大，導致火星極地的冰蓋向低緯度方向擴散，這就允許火星在低緯度地區(qū)出現(xiàn)大量含鹽液態(tài)水，或液態(tài)湖；而在小傾角時期，例如現(xiàn)在的火星，水汽從低緯度地區(qū)回到了極地冰蓋。該假設可以很好的解釋祝融號傳回的圖像。
在太陽系歷史的大部分時間里
火星的傾角都大于 25 度
與今天的火星相比
這將產生更溫暖的夏季和更寒冷的冬季 ▼
較高的傾角可能會引發(fā)火星部分水冰的部分融化
下圖中朝東斜坡上挑出了微妙的東西走向的山脊
深色和淺色條紋似乎在山脊上向東（下坡）偏轉
這也許是火星上古代傾斜驅動的氣候變化的印證
（圖：NASA）▼
如果確實如此，那么火星上可能從未經(jīng)歷過溫暖且潮濕的時期，一直處于死寂狀態(tài)，甚至可能沒有孕育生命的條件和時間。
實際上，迄今為止，在火星上連細菌都沒有找到。科學家們已經(jīng)不再期望可以在現(xiàn)在的火星上找到生命。幾乎所有的相關科研結果也都只是某些可能，即便確定了科研結果的有效性，跟發(fā)現(xiàn)火星生命也完全不是一回事。
跟火星人一起在火星上吃燒烤的幻想
可以暫時放一放了
不論哪種情況，火星是否存在生命仍需進一步去驗證，而最有效和最直接的方法就是直接探測和采樣返回，這也是“毅力號”和未來探測器的主要使命。目前，只能寄希望于 2030 年前后“毅力號”采集返回的火星巖石樣本（火星巖石的晶體中可能存在微生物）。
上：“毅力號”取樣的 Rochette 巖石
圓孔為取樣器留下的轉孔
下：裝有巖石樣本的密封樣本管
（圖：NASA / JPL-Caltech / ASU）▼
宜居？移居！
火星是距離太陽最遠的類地行星，表面呈紅褐色。火星表面的平均溫度低于地球，火星平均大氣密度只有地球的約 1%，十分稀薄。
火星大氣稀薄的主要原因是磁場較弱（只有地球磁場強度的約 0.1%-0.2%）和質量較?。s地球質量的 10%），使得它無法保持足夠的大氣層壓力來阻止太陽風將其吹散到太空中。
紫外光譜儀下捕捉到的逃逸的火星大氣
（圖：NASA）▼
這也導致其晝夜溫差和季節(jié)溫差遠大于地球。火星的冬季夜晚溫度可以降到-140 攝氏度，而夏季白天，最高可達 35 攝氏度。即使同一季節(jié)，火星的晝夜溫差也可以超過 100 攝氏度。
這種溫度環(huán)境無疑仍是十分惡劣的，但相較于金星、木衛(wèi)二和木衛(wèi)三等其他天體來說好的太多了。它們被認為是太陽系內可能存在生命跡象的天體。2020 年，科學家在金星的高云層中監(jiān)測到了磷化氫分子，可能是厭氧生物代謝的結果。木衛(wèi)二和木衛(wèi)三則被認為存在冰下海洋，溫度適宜可能存在生命。
木衛(wèi)二和木衛(wèi)三常在科幻作品中成為人類的“太空殖民地”
然而想要移民至此要面對低溫、高輻射等諸多問題
在這么看來確實還是火星更“香”一些
（圖：NASA）▼
此外，火星的自轉周期約為 24 小時 37 分鐘，這與地球上的一天接近，而不像在金星上的“度日如年”（金星的自轉周期大于公轉周期，即“一天”大于“一年”）；火星自轉平面與公轉平面的夾角約為 25.19°，與地球的 23.44° 相接近，這意味著火星上也有春夏秋冬。
火星位于太陽系的宜居帶外圍（宜居帶是指恒星周圍的特定帶狀區(qū)，在其內繞行恒星的行星之表面溫度冷熱適中，讓水能以液態(tài)存在于表面），盡管火星表面溫度可能在某些地方達到液態(tài)水存在的溫度，但由于其大氣層極為稀薄，且缺乏強大的磁場保護，使得水很難長期存在于火星表面，而且也無法像地球一樣調節(jié)溫度。
因此，火星目前被認為不是一個宜居行星。
太陽系的宜居帶
根據(jù)測量失控的溫室效應和失水演算法
得出太陽系的宜居帶范圍為 0.99-1.688au
（圖：Cornell University）▼
但在整個太陽系中，火星也是唯一經(jīng)過改造可能適合大規(guī)模移居的行星。移居火星的優(yōu)勢之一在于豐富的水資源，目前已探明火星上的水資源儲量巨大，若全部融化解凍足可以覆蓋整個火星十幾米。
前面提到過的南極冰蓋如果融化
將足以覆蓋地球的整個表面，深度為 11 米
（北極附近充滿冰的 Koroliov 隕石坑）
（圖：ESA / DLR / FU Berlin）▼
此外，火星還擁有可以阻隔部分輻射的大氣。隨著未來太陽系宜居帶的外移，火星將會變得更加溫暖。
移民火星相比于移居月球的主要缺點，在于昂貴的物資運輸代價，但這也是可以展望的。
未來如果能充分利用火星上的原位資源，通過 3D 打印建筑材料、水的循環(huán)利用和生物以及人工制氧等技術，可以大大降低運輸量，降低火星的建設風險和成本。像電影《火星救援》中在火星上開荒將不再是科幻，而成為現(xiàn)實。
只要技術在，不怕開荒難
（圖：《火星救援》）▼
《火星救援》有這樣一句臺詞：“一旦你在某個地方種了莊稼，那個地方就是你的殖民地了”。那么，能在火星上種菜嗎？科學家們的態(tài)度是樂觀的。盡管“生物圈二號”計劃失敗了，但是通過人為的物理化學調控以維持莊稼的生長是可靠的且可行的。
解決了糧食問題
相當于解決了一半的生存問題
（圖：《火星救援》）▼
因為火星的土壤里也有很多莊稼生長需要的礦物質，而且莊稼對氣壓的要求遠低于人類（只需要地球表面氣壓的 5% 即可），建造農場對“大棚”的建筑材料的要求就大大降低了。
一旦能成功的在火星上種菜，那么就意味著在火星上自給自足會成為可能，甚至可以對火星進行一定程度的“地球化”改造。
建立磁層、建立大氣層還有提高溫度
地球上有的火星上也能有
（火星改造過程的構想 圖：wiki）▼
這其中一定會面臨技術、資金、政治和倫理上的重重困難，這需要人類致心一處。目前，NASA 正在與 SpaceX 公司合作，計劃在 2030 年前后送人類登陸火星，這或將拉開移居火星的序幕。
距離計劃中人類登陸火星還有十年左右時間
來凝聚人心、克服眼前的困難
結果如何，將由時間來揭曉
（圖：YouTube@spacex）▼
從尋找火星生命到移居火星，以祝融號為代表的火星探測器傳回的圖像數(shù)據(jù)點亮了我們心中的希望。這是人類邁向宇宙之路上錚錚誓言的初音，也將成為人類贊歌的重要篇章。
參考資料：
1.Xiaoguang Qin et al., Modern water at low latitudes on Mars: Potential evidence from dune surfaces.Sci.Adv.9,eadd8868(2023). DOI:10.1126/sciadv.add8868.
2.Yang Liu et al., Zhurong reveals recent aqueous activities in Utopia Planitia, Mars.Sci. Adv.8,eabn8555(2022).DOI:10.1126/sciadv.abn8555.
3.趙健楠，史語桐，張明杰等.火星水成地貌研究進展 [J].地質學報，2021,95 (09):2755-2768.DOI:10.19762 / j.cnki.dizhixuebao.2021267.
4.盧昌海.探尋生命的蹤跡 —— 火星 [J].現(xiàn)代物理知識，2016,28 (03):23-30.DOI:10.13405 / j.cnki.xdwz.2016.03.012.
5.https://solarsystem.nasa.gov/planets/mars/in-depth/
6.https://www.planetary.org/space-images
7.https://www.sciencenews.org/article/mars-perseverance-rover-nasa-water-life
8.https://www.sciencenews.org/article/mars-lake-south-pole-ice-surrounded-pools-water
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