登上火星，我们会看到什么？

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

（中国航天史上首张清晰的火星地表影像，圆形撞击坑和条状丘陵清晰可见，由天问一号拍摄，图源@国家航天局）▼

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

（1960-2020人类火星探测任务汇总，制图@王申雯/星球研究所）▼

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

（2021年3月毅力号火星车拍摄的火星地表，图源@NASA）

▼

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？

（夜空中的火星，摄影师@Tea-tia）

▼

现在就让我们通过这篇文章系统地了解火星的一生

01 碰撞时代

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

（火星在太阳系中位置示意，行星间相对位置有调整，标注@郑伯容&汉青/星球研究所）▼

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

（火星全球影像，图中的大型沟壑地貌为水手大峡谷，图源@NASA）▼

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”

（请横屏观看，火星地形示意图，火星“海拔”的起点是火星大地水准面，是一个人为定义的曲面；在地球上，海洋的大地水准面与海平面重合，制图@郑艺/星球研究所 ）▼

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

（火星北半球地形示意图，制图@郑艺/星球研究所）▼

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”

（1979年维京2号着陆器拍摄的乌托邦平原，乱石上结满白色冰霜，这里也将成为天问一号火星车的着陆地，图源@NASA）▼

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

（火星南半球地形示意图，可见密集的撞击坑，制图@郑艺/星球研究所）▼

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

（海拉斯平原与青藏高原对比，制图@郑艺/星球研究所）▼

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

（请横屏观看，好奇号火星车从盖尔撞击坑中央丘陵回望，近景是裸露在地表的古代岩层，从中可以认识撞击坑的演化历史，该撞击坑形成于约36亿年前，直径150km，图源@NASA）

▼

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（火星与地球撞击坑数量对比，制图@郑艺/星球研究所）

▼

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

（墨西哥希克苏鲁伯撞击坑地形，制图@郑艺/星球研究所）

▼

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

（南非弗里德堡撞击坑地形，制图@郑艺/星球研究所）▼

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”

以南非的弗里德堡撞击坑为例

原本300km直径的撞击坑

在经过了20多亿年的破坏后

仅留下直径约80km的中央丘陵区

我们已无法看出它原本的规模

（撞击坑破坏示意，地层抬升会使古老的撞击坑逐渐风化消失，制图@王申雯/星球研究所）

▼

我们能在地球上得见的撞击坑

往往非常“新鲜”

而稍稍假以时日

它们同样会被快速“磨平”

（请横屏观看，巴林杰撞击坑，形成于约5万年前，直径仅有1.19km，图源@视觉中国）

▼

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

（火星维多利亚撞击坑，直径约800m，机遇号火星车曾在此工作，图源@NASA）▼

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

02 火山时代

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（请横屏观看，火星火山分布图，制图@郑艺/星球研究所）▼

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

（塔尔西斯火山高原地形图，火星“海拔”的起点是火星大地水准面，是一个人为定义的曲面；在地球上，海洋的大地水准面与海平面重合，制图@郑艺/星球研究所）▼

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

（奥林匹斯山影像，颜色表示海拔，图源@NASA）▼

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

（请横屏观看，火星奥林匹斯山与部分地球山峰对比，制图@汉青/星球研究所）▼

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（埃律西昂平原上的一处火山熔岩，堆积出绳状外观，原图为黑白照片且无比例尺，图源@NASA）▼

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（夏威夷熔岩流表面的绳状外观，规模小于上图火星地表的绳状结构，但二者成因类似，图源@视觉中国）▼

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（火山熔岩管道形成过程示意，制图@王申雯/星球研究所）▼

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（火星奥林匹斯山附近的熔岩管道，不同时期喷发产生的管道彼此叠加、切割，坍塌成断续的坑道，原图为黑白照片且无比例尺，图源@NASA）▼

而在地球上冰岛、夏威夷等地也常见类似的火山熔岩管道（冰岛的古代熔岩管道，地表可见熔岩冷却留下的柱状节理，管道顶部已局部坍塌，图源@视觉中国）▼

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（埃律西昂火山区地形图，山坡上的熔岩管道流向低洼地，转化成疑似河道的结构，制图@郑艺/星球研究所）▼

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

03 流水时代

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（意大利埃特纳火山喷发后的烟柱，火山喷发不仅产生大量的火山灰，也会将巨量的水蒸汽释放出来，图源@视觉中国）▼

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（被称作“小蓝莓”的火星含铁矿物结核，由赤铁矿构成，直径若干毫米，图源@NASA）▼

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（美国犹他州沙漠里的“摩奇石球”，图源@视觉中国）▼

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（结核形成与脱落示意，结核是沉积岩中的常见构造，在地球和火星都可以找到，制图@王申雯/星球研究所）▼

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（盖尔撞击坑内高度磨圆的小卵石，形成于河流环境，图源@NASA）▼

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（请横屏观看，火星盖尔撞击坑砂岩交错层理示意，该处砂岩的纹路即为“交错层理”，是流水堆积砂粒产生的痕迹，底图@NASA，标注@云舞空城&汉青/星球研究所）▼

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（乐山大佛砂岩交错层理示意，乐山大佛开凿于丹霞山体上，砂岩里可见密集的交错层理，它们是流水堆积砂粒产生的痕迹，摄影师@李琼，标注@云舞空城&汉青/星球研究所）▼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（陶马西高地南侧的瓦伊格谷河道系统，制图@郑艺/星球研究所）▼

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（水手谷和卡塞谷地形示意图，部分学者认为，卡塞谷可能由熔岩而非液态水流动产生，制图@郑艺/星球研究所）▼

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（伊奥利亚平原的古代火星曲流河道，制图@郑艺/星球研究所）▼

九曲十八弯的外形

像极了地球上那些曲流河

（内蒙古呼伦贝尔草原莫日格勒河，它是典型的曲流河，摄影师@刘兆明）▼

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（火星杰泽罗撞击坑边缘的三角洲，毅力号火星车正在这里寻找火星古代生命迹象，底图@ESA，标注@汉青/星球研究所）▼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

（火星主要三角洲分布及可能的早期海洋分布图，制图@郑艺/星球研究所）▼

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

（火星北极附近的克洛罗夫撞击坑中残留大量水冰，直径约82km，图源@ESA）▼

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？

04 死亡时代

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（印尼婆摩罗火山，印度尼西亚的群岛是板块运动产生的火山岛链，火山活动极为频繁，摄影师@Tony Wang）▼

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（太空中俯瞰喜马拉雅山脉，画面左侧为中国方向，右侧为印度方向，图源@NASA）▼

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延绵2000km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（火星与地球地形对比，标注了主要线性山地、火山带和洋中脊，制图@郑艺/星球研究所）

▼

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

（地球与火星大小示意，底图@NASA，制图@郑伯容/星球研究所）

▼

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（欧科斯环形山，火星表面最古怪的地貌之一，可能由小行星撞击产生，图源@ESA）▼

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（地球和火星火山喷发示意，是否存在板块运动，是两颗星球火山高度相差悬殊的重要原因，制图@王申雯/星球研究所）▼

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

（太阳风破坏大气层原理，制图@汉青/星球研究所）▼

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

（请横屏观看，火星北极冰盖，由水冰和干冰构成，图源@ESA）▼

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

（火星南极附近的地表干冰实拍，与红色的泥沙混合在一起，图源@NASA）▼

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

（火星的雅丹地貌，是古代湖泊泥沙被风力破坏的产物，图源@NASA）▼

沙漠开始在火星广泛出现

庞大的沙丘在地表蔓延

（火星沙丘，颜色为人工添加的假彩色，图源@NASA）▼

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（火星的稀薄云层，由机遇号拍摄，图源@NASA）▼

和动辄席卷全球的沙尘暴依旧保留些许的活力（2001年一场全球性的火星沙尘暴，给整个星球都被蒙上一层“沙雾”，由哈勃望远镜拍摄，图源@NASA）▼

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

05 “另一个地球”

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（冰岛极光，极光是地球磁场将部分太阳风粒子引导至两极附近后，轰击大气层产生的发光效应，摄影师@Tea-tia）▼

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（请横屏观看，远景的喜马拉雅山脉与中景的冈底斯山脉同框，摄影师@孙岩）▼

令火山喷涌不息（2021年3月19日起开始喷发的冰岛法格拉达尔火山，图源@视觉中国）▼

令江河奔流不止（新疆伊犁河谷，摄影师@马俊华）▼

令海洋汹涌不宁（冰岛的黑色海滩，白色浪花与黑色沙滩形成鲜明对比，黄色部位是被植被覆盖的小山，摄影师@何炜）▼

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（火星轨道上最强大的望远镜HiRISE拍摄的地球和月球，可分辨出地球上蓝色的海洋、棕色的陆地和白色的云层，图源@NASA）▼

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(2021年2月19日，正在降落火星地表的美国毅力号火星车，图源@NASA）▼

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（2020年7月23日天问一号火星探测器发射，“天问”是中国行星探测任务的代号，未来还将把我们的视野带向更远的星空，摄影师@Tea-tia）▼

本文创作团队

主笔：云舞空城

编辑：所长

图片：潘晨霞

地图：郑艺

设计：王申雯&汉青

审校：牧陆

本文主要参考文献

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...  The End  ...

来源：星球研究所、纽扣星球

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