曾經有海洋的火星，水都去哪了？

作者：佰思科學 ｜沈東旭 邱亞明

很多科學家認為，在久遠的過去，火星表面有液態水。最近通過對一顆火星隕石的研究表明，在火星形成9千萬年之後，火星表面就可能有液態水。早期的火星很可能溫暖溼潤，那時的火星上也像今天的地球那樣，有海洋、湖泊與河流。在上世紀九十年代，曾有研究認為，火星表面75%曾經為海洋所覆蓋。後來又有研究說，火星海洋面積大約為36%。

早期火星上的海洋

由於火星地形的特點，火星的北半球地勢更低，因此假如早期的火星存在海洋的話，那麼火星北半球很大面積將被海洋所覆蓋，陸地主要在南半球。

火星地表高度圖。藍色區域可能曾經是火星的海洋

直到現在，火星上的一些地貌，很容易讓人聯想到河谷與河流入海處的三角洲的形態。比如下圖中的Kasei Valles，圖片對應了1600kmx1200km的區域，可以讓人很清晰地感受到舊時的火星，曾有蜿蜒流淌的河流，注入一片汪洋。你甚至可以分辨出海水衝刷過的海岸的位置。

火星上的Kasei Valles

人類的火星探測器登陸火星之後，拍攝了火星地表的照片。比如機遇號火星車拍攝的Burns Cliff（伯恩斯崖），可以看到一層層的似乎是流水衝擊過的痕跡。許多跡象都表明，火星表面很可能存在過海洋。

伯恩斯崖（Burns Cliff）

遺憾的是，火星在漫長的歷史演化過程中，變得越來越乾燥寒冷。隨著歲月的流逝，火星表面的水面越來越小。從下圖我們可以看到火星水面的演變歷史。從40億年前的半藍半紅，海洋面積在逐漸減小。就算到了十億年前，火星的南北極地球仍有小片的水面。所以馬斯克的移民火星夢想能再早十億年就能好多了，順祝馬斯克儘早新冠康復（大概率是無症狀感染者）。

火星海洋的演變過程（單位為十億年）

時至今日，火星上還有大量的水。尤其是在火星的南北極區域，還有大量以冰的形式存在的水。在火星的北極區域，有一個巨大的冰蓋，或許就是被凍住的火星曾經的海水。在火星的南極地球，有一層二氧化碳乾冰層。在這之下也是一層冰。假如火星南北極的冰全部都融化的話，能在火星表面覆蓋35米厚的一層水。

火星南北極地區冰的深度

火星的土壤裡也凍著大量的水。有人認為，在條件適當的時候，火星表面可能還有流動的液態水。2006年，NASA的MRO（Mars Reconnaissance Orbiter）火星衛星觀察到了火星牛頓隕石坑斜坡上發生的季節性變化，見下圖。

動圖顯示火星表面的季節性變化，暗示流水的存在

問題在於，火星地表的大氣壓太低了，僅相當於地表大氣壓的不到1%，造成水的汽化溫度比水的融化溫度更低，因此液態水很難在現今的火星表面長期存在。2008年，鳳凰號火星探測器在火星北極地區登陸。鳳凰號用鏟子在地面上刨了小坑，露出來幾塊白色區域，在後來的幾天內逐漸揮發。這些白色物質很大可能就是冰。

鳳凰號底部照片，注意那幾個白色區塊

從古至今，火星從溫暖溼潤，慢慢變成了寒冷乾燥。是什麼造成火星這樣的變化呢？難道只是因為距離太陽比地球更遠嗎？要回答這個問題，首先要思考的是，為什麼火星的過去是溫暖溼潤的。其實很簡單，早期的火星大氣壓必然比較高，同時更多的二氧化碳也帶來了溫室效應，提升了火星表面的溫度。據估計，當時火星表面的溫度在20-30攝氏度之間，和現在的地球很像。

火星與地球大小比較

然而不幸的是，火星的質量比較小。火星的直徑只有地球的大約一半，質量是地球的十分之一，引力是地球的38%。因此，單憑火星自身的質量，很難留住厚厚的大氣層。在太陽風的作用下，火星的大氣慢慢流失。所謂的太陽風，就是從太陽發射出來的原子核，大部分都是氫核，即質子。

太陽風撞擊火星大氣中的分子（動圖）

相比之下，地球不僅引力更大，而且還有磁場，阻擋了大部分的太陽風粒子，因此地球的水分很不容易散失。據認為，火星最早也有磁場，但由於某種原因，在大約42億年前，很可能是一次強烈的小行星撞擊，造成了火星磁場的消失。因此，太陽風粒子對火星大氣層的影響遠大於地球，直接造成了火星大氣層的逐漸喪失。

火星與地球磁場對比

在太陽風粒子的撞擊下，火星大氣中的水分子會被分解成氫和氧。氫的質量低，更容易逃脫火星引力的束縛。同樣的，火星大氣層中的二氧化碳也會以類似的方式喪失掉，從而降低溫室效應，造成火星溫度下降。據估計火星已經損失了大氣中90%的二氧化碳。

火星大氣流失動圖

火星大氣在越來越稀薄的同時，氣壓隨之降低，水分也更容易蒸發到大氣中，再從大氣中流失出去。於是火星上的水分越來越少，最終形成了惡性循環--越來越稀薄的大氣更難以保存住水分。火星逐漸變冷，海洋也慢慢地消失了，

火星水分揮發的藝術想像圖

2020年11月份的《科學》（Science），發表了一篇文章。研究人員發現，火星上的沙塵暴會加劇火星水分的流水。每隔幾年，火星會發生全球性的沙塵暴天氣。狂風捲起漫天黃沙，可以遮蔽整個火星大氣層，同時將火星地面的水分帶到火星大氣高層。那裡太陽風粒子更容易把水分子分解成氫和氧，加劇了火星水分的流失。科學家計算後認為，僅僅是由於火星上的沙塵暴，在過去的十億年裡，造成火星流水的水分，足以覆蓋火星表面17釐米厚。再加上其他原因流失的43釐米，火星在過去十億年裡總計流失了能覆蓋其表面60釐米厚的水。

火星晴朗（左）與沙塵暴天氣（右）

當然，在火星更早期的時候，或許水分的流失會更加嚴重，畢竟現在火星表面已經沒有液態水存在了。

火星的遠古與現今的對比