紅色的火星 圖/Independent
撰文 沈夢溪
人類觀測火星的歷史很久，在最早的時候人們主要靠肉眼觀察，因為火星外表發紅，遠看像火，而且僅靠肉眼觀測的話它的行蹤捉摸不透，因為被中國古人稱為「熒惑」，有「熒熒火光，離離亂惑」的意思；再後來陰陽五行學說出現，火星也因其紅色而被稱為火星。直到現代的天文觀測手段發展出來，我們才知道火星原來並沒有火，而是一顆紅色的行星。
到了上個世紀美蘇太空爭霸，相繼發射了不少火星探測器，這些近距離觀察火星的探測器則不斷帶給我們顛覆性的消息，最初是發現了火星上類似於河網的地貌，然後通過化學手段、物理手段，以及火星登錄器實地考察，越來越多的證據實錘了火星上原本就存在大量的水，現在可能依然存在少量的水。
火星上的河口三角洲 圖/NASA
火星上河網 圖/NASA
這些信息無疑會讓我們深入一點去思考這些問題：火星上的水從哪裡來？火星上的水又為什麼會消失？
一、宇宙中本來就不缺水
關於水的故事，我們要從宇宙的形成開始說起。
現代理論中，宇宙形成於一次大爆炸 圖/wikimedia
在目前的宇宙和行星形成的理論中，宇宙大約於137億年前形成，那時候沒有各種行星和恆星，只有無數的電子和質子。這些質子和電子在出現以後很快結合，首先出現的是質量較小的氫、氦、鋰、鈹等元素，這些小質量的元素結合形成了第一代恆星，在恆星中這些輕的元素進一步聚變形成了更重的元素，比如氫元素聚變形成氦，氦聚變形成碳、氧等元素，碳、氧聚變形成鈉鎂鋁矽之類的元素……
這個過程就好像我們玩過的一款手機遊戲——2048：
化學元素版2048遊戲
這些不同的元素就在一代代的恆星聚變過程中不斷合成越來越多。從這個過程我們就能知道，越輕的元素越多，越重的元素越少，就跟我們玩2048這個遊戲是一樣的，1024和2048這種大的數字肯定是最少的。而水，則是由氫氧兩種質量較低的元素構成的，所以實際上從化學元素上講，在宇宙中，水根本就不是一個稀罕的東西。
宇宙中排名前十的化學元素豐度表 圖/wikipedia
二、火星上水的來歷
大約50億年前，一顆大質量的恆星死亡，在死亡過程中拋出大量的高溫星雲物質。隨後星雲圍繞中心自轉，在這個過程中，99%的星雲物質匯聚到星雲中心，溫度壓力越來越大，最終點燃了核聚變，這就是太陽的形成過程。
太陽形成過程示意圖 圖/Science
太陽形成的同時或者是稍晚一些，部分星雲物質冷卻凝固下來，形成固態的星子，這個過程中，水就以各種形式間接或直接賦存於這些星子之中，比如單獨以氫離子或氫氧根離子形式成為某種化合物的一部分，又或者以結合水的形式賦存於巖石間。隨後，這些星子在圍繞太陽運動的過程中相互碰撞，越來越少也越來越大，於是就形成了各大行星與小行星。
圍繞太陽運動的星子相互碰撞，越來越大，最終形成行星
火星就是其中一個行星，在火星形成的過程中，因為大量星子的碰撞帶來的熱能以及星子中放射性元素的輻射能，火星也越來越熱，最終熔化成為一個巖漿球，在這個初生的巖漿球中，各種物質都被重新熔化形成液態的巖漿，其中的氫根、氫氧根、水分子等由此而得以自由活動，這些分子、離子在巖漿中通過各種化學反應形成水蒸氣。
火星最初形成時可能類似於這種環境 圖/alphacoders.com
等到最終火星表面冷卻之後，這些水蒸氣以雨水的形式降落下來，這就是火星上水的來源。當火星的地表冷卻以後，火星內部的巖漿又通過火山而源源不斷向外補充著水蒸氣。當然，其實地球上水的的來歷也類似於此，我們甚至可以更進一步推廣到所有的巖石行星，在這些行星上，或多或少都是有水的。
所以，答應我，不要再因為在某某星球發現了水就一驚一乍了好嗎？
三、火星上有水的那些年
在火星上有水的那些年裡，形成了大量的河谷、河網、峽谷、湖泊，這些流水地貌與地球上的水流地貌非常相似，有科學家就曾經專門通過對比火星和地球流水地貌的規模和特徵，從而推斷火星上這些河流中的水源、水流量等等信息，有人甚至推測，曾經火星上某些河流的水流量可能是地球上亞馬遜河水流量的10倍。
火星上的水系 圖/ESA
卡塞峽谷外流河河口 圖/MDPI
基於隕石坑而形成的湖泊和河流 圖/phys.org
不過，可惜的是，由於目前證據還不夠多，所以關於火星表面是否有過海洋還存在著爭議。不過NASA靠著想像畫出了有海洋的火星的模樣↓
有海洋存在的火星想像圖 圖/NASA
四、火星上的水為何消失？
火星上水量充沛的年代離現在已經很遙遠了，科學家們估計，火星上的水大約從41億年前就開始出現，到大約37億年前，水量達到頂峰。但是到大約30億年前，火星上的水分逐漸減少，成為如今我們看到的荒蕪模樣。
火星上液態水和火山活動的年代
火星上的水為什麼會消失呢？這其實主要是因為火星上巖漿活動的逐漸減弱。我們在前文講了，水的形成其實與巖漿活動是有密切聯繫的，巖漿活動活躍，水分補充就多，巖漿活動弱小，水分補充就少。我們看上面的圖也能夠看出來，火星上的水與火山作用是密切相關的。
火星與地球相比要小很多，它只有地球體積的38%，這意味著它冷卻的速度要比地球快很多。大約31億年前開始，火星內部逐漸冷卻凝固，巖漿活動越來越弱，因而補充到火星地表的水也就越來越少，而火星也一方面因為其個頭太小，引力也小，過小的引力無法束縛水和大氣，大量的水和大氣向外逃逸跑到了太空中；另一方面，凝固的火星內部無法產生固定的磁場，這些磁場本來像護盾一樣保護著火星的大氣，在它消失後，來自於太陽的電離物質，不斷颳走火星上的大氣和水分。
一方面補充少，一方面大量散失水分，這就是火星上水分快速消失的原因。
火星和地球大小對比 圖/wikimedia
五、火星上還有水嗎？
雖然現在火星地表一片荒蕪，但是火星的某些地方可能殘留有一些水分。其中水分最多的地區可能要數南北極了。火星的南北極和地球類似，這裡也因為溫度極低而保留有大量的冰，不過火星因為溫度比地球低得多，所以這些冰是水冰和二氧化碳乾冰的混合物。
火星北極冰蓋-NASA
在2018年，NASA曾宣布它們在火星的南極冰蓋之下發現了一個高度疑似的液態水湖泊；此外，在火星某些還殘留有少量巖漿活動的區域內，可能存在少量的地下水，這些地下水在近地表的區域內因為溫度低而被凍結形成了冰，2008年鳳凰號探測器曾經在火星北極挖了一個土槽，在槽中就發現了水冰的痕跡，這些水冰在4天後因升華而部分消失。
鳳凰號在火星挖出來少許水冰，這些水冰在4天後才部分升華消失 圖/wikimedia
六、地球會變得跟火星一樣嗎？
這個問題可能是大部分人都會關注的一個問題。回答是肯定的，地球在未來的某一天，終將變得跟火星一樣，這是一個星球的生死輪迴，無法避免。但是好消息是，地球比火星大很多，所以地球冷卻的會慢很多，水分的逃逸也少很多，地球內部的巖漿也還很活躍，而地球要走到火星那一步可能還需要數十億年的時間。
好啦，關於火星的問題先寫到這裡，我們在中國的火星探測器發射之後再來繼續聊火星~
原標題：《沒做好保溼，火星的樣貌，比地球老了30多億歲》
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