如果火星上有水，那它们都去哪了？

导读

科学们已经找到足够证据，证明在大约30亿年前，火星上曾经存在着活跃的水循环系统

关于火星上液体水的失踪问题，在学界早已引发了大量的讨论与研究。有一个事实是显而易见的，那就是在漫长地质历史上的某一个时刻，曾经存在于火星表面的大量液态水突然神秘消失了。火星曾经可能存在的宜居环境是引发人类对这颗红色星球殖民冲动的重要原因之一，可是现在，历史上曾经存在于火星上的那么多水，到哪里去了？

今天，我们来听听8位行星科学领域的专家们怎么说：

有很多证据可以证明，相比今天寒冷干燥的火星，历史上的火星表面曾经存在过液态水。至于这些水究竟去了哪里，是太阳系研究领域的一大谜题。

作为一位每天都要花费很多时间思考与地球上的俯冲带相关话题的地球物理学家，对于火星上那么多水的消失问题，我比大多数人都更加感到惊讶不已。我来解释一下这是为什么。在地球上，水会与海底岩石之间发生相互反应。这些经由水体改造的岩石在板块运动的带动下被卷入俯冲带。这一作用会将大量水体带入到地球内部——这是一种相当高效的将地表水体转移至地球内部的途径。

但是这种机制在火星上行不通，因为火星上根本就不存在板块运动或者俯冲现象。我们发射的火星轨道器和其他探测器已经在火星表面上发现了经由水体改造的岩石与矿物，其中包括一些在地球上只会存在于海底的矿物和岩石类型，我们很清楚，这类矿物或岩石的形成必须在相当深的水深环境下才可以产生。作为美国宇航局“洞察号”火星探测器项目的参与者，我正在计算火星地表岩石的密度和地震波传播性质，以便为日后使用地震波信号搜寻地下经由水体改造的岩石做好准备。来自“洞察号”着陆器的数据可以帮助我们判断在那些曾经遭受水体改造的岩石内部水分的含量高低。

在火星的两极地区，巨大的极冠中蕴藏着巨量的水体

火星上现在和过去都存在着不少水。即便是今天，火星极地的极冠中就蕴藏着大量水冰，如果将其全部融化，产生的水将足以覆盖整个火星并形成一个水深至少22米的海洋！遗憾的是火星大气太过稀薄，大气压太低以至于液态水无法稳定存在，因此今天的火星上，水只能以固态水冰以及少量水汽的形式存在。

在过去，火星上曾经存在大量液态水，这些液态水在这颗红色星球上形成了湖泊，河流甚至海洋。近期美国宇航局“好奇号”火星车发现一条长度超过300米的岩层，其全部是在古代的湖床底部形成的。这些岩层似乎在长达100万年的时间里一直保持着稳定状态，其存在于火星地表之上的时间大约距今35亿年。这些证据显示当时的火星必定曾经拥有一个密度更大的大气层以及多得多的液态水，但我们对于火星上究竟存在过多少水以及这些水体在火星表面稳定存在的时间长度仍然不甚清楚。还有，这些水后来到底去哪里了？

其中的一些水散逸到了太空里。这主要是火星没有一个强大的磁场，因此其大气会遭受太阳风的强烈冲击。另外还有一些水与火山岩石发生作用并被存储在了矿物内部结构之中，而剩下也有一些水体迄今仍然残留了下来，被冰封在极区的永冻层之中。

水是火星历史故事中的主角。我们看到河道穿越古老的高地，分出复杂的支流系统，其形态表明只有大量水体的存在，只有存在强烈的大规模降水情形，这一切才有可能出现

自从诞生之后，火星在过去46亿年间已经经历巨大改变。大约38亿年前，火星与地球的相似度要高得多，当时的火星上存在火山活动，拥有磁场，地表流淌着液态水，并被一层厚厚的大气层所覆盖。而就在这同一时期，地球上正孕育着最初的生命体。

关于火星上曾经存在液态水的证据正变得越来越多，最开始从美国宇航局的“海盗号”轨道器拍摄的图像上，此后“勇气号”和“机遇号”两辆火星车又在火星表面发现了越来越多的矿物学直接证据，“好奇号”火星车则进一步找到了pH值呈中性的水体曾经存在的直接证据，而欧洲空间局的“火星快车”探测器绘制的地图上，显示火星地表广泛分布的富水以及黏土类矿物。

今天的火星寒冷而干燥，只有一层稀薄的，主要成分是二氧化碳的大气层，环境恶劣，全球性磁场也已经消亡。美国宇航局“火星奥德赛”以及“凤凰”号探测器的探测证据显示火星地表下存在水冰，而“火星全球勘测者”（MGS）探测器的图像则揭示了一类被称作“斜坡复现条痕”的现象，这被一部分学者猜测是火星地下存在某种高盐度液态水体的证据；而就在去年，根据欧洲“火星快车”探测器的雷达探测结果，科学家们还在火星南极冰层下发现了一个液态水湖泊存在的证据。

所有以上这些都显示，水曾经，甚至今天仍然存在于火星之上——只是其中的一部分进入了地下，或者正如“火星快车”以及“美文”号探测器的探测数据所揭示的那样，有大量的火星水体散逸到了太空之中。但在38亿年前，火星绝对具备绝佳的生命孕育条件。这也是为何欧洲与俄罗斯合作的Exomars漫游车将计划在火星上进行深达2米以上的钻探，从而实地搜寻火星上过去，甚至现在——尽管可能性要低得多——存在生命的线索。另外，美国宇航局的“火星2020”计划将开始采集火星地表样本，以备后续带回地球。

在接近赤道地区的火星撞击坑向阳面，在温度足够高时，科学家们发现在斜坡上出现一些暗色条纹，一些科学家认为，这极可能是流动的高盐度液态水体

如果我们将一颗行星上的所有水体都提取出来，然后均匀播撒到整个星球的表面，这时候我们就获得了行星科学家们常喜欢说的“全球性海洋”概念。这一概念在帮助我们直观了解一颗星球上水量的多少时会很有用。

相当详实的数据显示，当前科学家们在火星上发现的全部水体——主要是两极极冠中的水冰，可以在火星上形成一个水深大约20多米的全球性海洋。这就是今天火星上拥有的总水量，并且对于这一估算数值我们是相当有信心的。

我们还知道在历史上火星曾经损失了大量的水体。通过对火星大气中几类稀有气体含量的追踪，科学家们可以估算火星历史上曾经存在的水体足可以在火星上产生一个水深137米左右的全球性海洋。基于这些来自火星大气的线索，我们可以相当有把握的指出，火星在其地质历史上已经损失了大约75%~85%的水。这些水已经永远的失去了，它们已经散逸进入太空。再一次的，我想说，对于这一点，我们相当有信心。

然而，如果我们不是基于大气相关推测数据，而是通过其地面上遗留的痕迹，包括随处可见的蜿蜒河道以及流水冲刷地貌，地质学家们的推算结果是，要产生这样的冲刷结果，当年的火星水量应该足以形成一个水深450~900米的全球性海洋。当我们将两个结果相结合，我们会意识到，火星最初拥有的水体中，或许还有多达40%~80%的水量并没有散失到太空中去，它们只是消失不见了，我们还没找到它们的下落，或许在火星内部。那可是好大一部分水体。

总的来说，相关证据似乎显示，火星损失了其在40亿年前所拥有水量的大约10%~30%。而在剩下的70%~90%水量中，两极冰盖中所含的水量只可以解释其中的不超过5%~10%。其余的大量水体——或许可以占到火星最初水量的90%，可能隐藏在火星内部。

美国宇航局“凤凰号”着陆器在火星高纬度地区用机械臂开挖，很快发现浅地表下白色的水冰物质

在太阳系中，火星是除了地球之外，唯一一个可能拥有潜在适宜人类居住环境的行星，这也就很好理解，关于火星与地球之间任何细微的相似或者相异之处都会受到详细关注和研究。尽管火星比地球小，但其表面积几乎和地球上的陆地面积相当。当然，地球的陆地面积只占到地球整个表面积的30%左右。

在将近半个世纪的行星际探测行动之后，我们已经拥有大量证据可以证明在火星上曾经存在流动的液态水，并且水量还不小。从轨道上，利用遥感的手段，我们发现了大量流水地貌痕迹，或者说干涸的古老河床。在火星表面上，漫游车已经找到多种不同的矿物，这些矿物在缺乏液态水的环境下是无法形成的，甚至它们还找到了遭受流水侵蚀磨圆作用明显的光滑的鹅卵石。

我们甚至拍到了时至今日还在火星表面流淌的盐水，它们出现的时间和位置刚好是在火星赤道附近的正午时分温度最高的时候。相关发现得到了光谱学观测结果的证实，光谱学观测发现了某些水合盐类的迹象，相关信号刚好就出现在这些流淌的暗色痕迹位置，而在这些暗色痕迹不存在的地方，水合盐类的信号也就跟着消失了。但我们还是要问，火星地表的水都到哪里去了？

关于这个问题的答案，事实上这或许是这个问题答案中相当主要的一部分就是，火星质量不够大，因而无法维持一个强大的行星磁场。地球熔融的铁质内核会产生电磁场，从而在地球周围构建起一个强大的磁场系统，帮助阻挡有害的太阳带电粒子流对地球的轰击。作为鲜明对比火星由于没有磁场的保护，时刻暴露在太阳带电粒子流无情的轰击之下，这样的情况已经持续数十亿年之久。美国宇航局发射的“美文”号探测器目前正在火星轨道上运行，对火星大气在太阳风冲击下的散逸过程进行详细记录，其传回的相关数据已经确凿地显示，在太阳风作用下，火星大气物质正在不断离开火星。

一副图景正变得愈发清晰，那就是如果你罗列出地球上的环境特征，你会发现这些特征几乎都是为生命的生存非常有益和重要的，而其中如果缺失掉任何一条，生命的出现和繁盛几乎都将成为不可能。这种地球拥有而火星缺少的环境条件包括：一个强大的磁场，一个大型天然卫星，以及板块运动等等。

但是，随着我们对于火星的了解愈发深入，我们便愈发被这颗星球所吸引。

比如我们近期发现在火星大气中存在明确的，但是分布并不均匀的甲烷气体信号，其含量远超我们此前预期。在地球上，大部分甲烷气体的产生都与生命活动有关。行星科学家们目前正在努力试图弄清楚，火星上这些甲烷气体的来源究竟是什么？请拭目以待。

“美文”探测器的考察结果显示，火星一直在经历着严重的大气散失

火星上存在液态水的证据在火星地表的形态上就能够看得到——那些明显是干涸的古老河床和冲刷痕迹，古代湖泊的遗迹，以及符合流水侵蚀的地表特征，都显示这里在过去曾经存在过相当活跃的水循环系统，甚至还可以看到大规模洪水爆发的痕迹。

除此之外，火星车已经在火星表面发现了多种只可能在液态水参与的情况下才能形成的矿物。其中有些呈“凝结核”形态存在，这是液态水溶解相关矿物，之后在其他地方再次沉淀凝结时容易产生的形态。

在今天的火星上，我们已经鉴定出高氯酸盐成分，就混杂在土壤之中。这些成分会吸收空气中的水汽并使其自身溶解，形成高盐度的液态水体，在火星上某些区域的白天是可以维持稳定存在的。

更具有争议性的是那些看上去似乎是流动的液态水留下的痕迹，也就是前两年媒体报道的所谓“复现性斜坡条痕”（RSL），科学家们认为其可能是当前仍然存在于浅层地下的高盐度液态水体在撞击坑向阳面斜坡上的流动造成的。此外，雷达数据显示，在火星南极地下大约1公里深度上似乎存在一层“潮湿”的层面，或许那里存在着地下水层。

也就是说，火星上迄今可能仍然存在水，其形式包括大气水，两极的水冰，以及埋藏在地表之下的水冰，还有在全球广泛分布的，存储于矿物结构中的结晶水。甚至，在某些区域的地下可能还不能排除存在着地下水层。但到目前为止对于这一点我们仍然缺乏直接证据。

以上这些，都已经通过遥感或直接成像的形式得到验证。但火星上相当一部分水体都已经分解为氧和氢原子的形式并散逸到太空之中。我们了解这一过程，因为这一过程会留下痕迹：氢的同位素异常。

氘是氢的一种同位素，质量相对氢更大（原子核中含有一个中子）。正是由于其质量更大，在向太空逃逸时，氘的逃逸成功率会低于更轻的氢。而在自然界中，氘和氢的天然比值是可以经由理论计算出来的。通过观察现在火星大气中氘的异常富集，也就是对于“D/H”（氘/氢）的比值，我们可以发现，大约85%~95%的火星地表水可能已经消失在了太空之中。

“美文”（MAVEN）是人类历史上第一颗专门的火星大气探测器，2013年开始执行探测任务

事实上地球上的水也需要解释。太阳系就像一个大型蒸馏塔，由于太阳的高温，距离太阳较近的行星上的水会被蒸发走，烤干，然后在那些距离较远的行星体上聚集。按照这个原理，地球上根本就不该存在那么多的水。因此，解释清楚地球上为什么会有那么多的水，是一个要比解释清楚火星上为什么只有那么少的水更大的挑战。

火星的个头为什么那么小？要想解释这一点，就离不开历史上木星和土星轨道在太阳系中的来回迁移问题。这两颗巨行星曾经转移到太阳系内侧，之后再次向外，抵达今天的位置上。这一过程剥夺了大量原本可以用作火星“建筑材料”的小天体，使得火星总体上“发育不良”。因此，今天我们无法100%精确说出火星原先的位置，直到未来我们关于太阳系演化历史的模型得到改进。因此从这个角度上说，地球-火星水量问题从定义上就不够明确，因为我们不知道火星在历史上相对太阳以及木星土星，曾经位于太阳系什么位置。

另一个问题是，由于火星质量相对较小，它在比较早期就不再拥有全球性磁场。这样就导致太阳风轰击其大气层，使其离子化并导致大量气体物质的逃逸。美国宇航局的“美文”（MAVEN）探测器正在监测这一过程。

其工作是利用美国宇航局的卫星和漫游车数据，结合实验室以及地球野外考察的相关经验，尝试理解塑造了火星与月球地表的自然过程机制；

水是火星历史故事中的主角。在火星地表上我们可以轻易找到大量证明火星过程曾经存在一个活跃水圈的证据，时间大约是在30亿年前。我们看到河道穿越古老的高地，分出复杂的支流系统，其形态表明只有大量水体的存在，只有存在强烈的大规模降水情形，这一切才有可能出现。这些河流向前流淌，注入撞击坑内，并形成沉积三角洲。今天这些“湖泊”早已干涸，那些三角洲早已裸露地表，“好奇号”火星车目前正在其中一个这样的三角洲上考察。

我们很清楚，切割出这些河道，填满这些湖泊的，是液态水——不是其他某种液体。为什么呢？因为我们已经找到大量只可能在液态水存在的情况下才能形成的矿物。比如在水蒸发的时候会留下盐类，当水体长期处于静止状态，容易产生黏土类矿物，而当二氧化碳溶于水体，就会产生碳酸盐类矿物。未来即将实施的美国宇航局“火星2020”项目，将要着陆到古老的“杰泽罗”撞击坑内，这里是一个干涸的湖床和河流沉积三角洲，科学家们将在这里搜寻古代可能存在的微生物的痕迹。

我们知道大约在30亿年前，火星上曾经有大量水体流动，但今天的火星却成了一个寒冷荒凉的星球，仅剩下极少的液态水体。之所以如此，是因为火星几乎损失了其早期大气层的大部分，而今天的火星大气已经太过稀薄，难以支持液态水在其地表的稳定存在。美国宇航局的“美文”探测器的相关数据已经证明，太阳风以及其他机制造成的大气物质逃逸不足以完全解释火星今天如此稀薄的大气，因此我们有理由认为在火星历史上可能曾经发生过大型的天体撞击事件，这些事件造成了火星大气层的巨大损耗。之所以这样的事情在地球上没有发生，是因为地球的质量要比火星大得多，引力也相应强得多，大气的逃逸难度要比火星上大得多。

火星一部分水体散逸到了太空之中，但大部分水体应该是以水冰的形式被冰封在地表之下。我们已经在火星高纬度地区发现的巨量的水冰富集，而美国宇航局的“凤凰”号探测器甚至直接挖出了浅地表下的水冰。如果你将这些水冰全部融化，我们可以很容易在火星上创造一个海洋。这些水冰储备对于未来的载人火星探测乃至殖民定居都将十分重要，因为它们将可以为我们的宇航员和定居者们提供必要的用水供应。（晨风）

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