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人類登陸火星的計劃正在推進。今年，美國總統(tǒng)唐納德?特朗普（Donald Trump）在就職演說中提及此事。這場史詩般的探索或許能解答關(guān)于火星的根本謎題，尤其是那個終極之問：火星曾孕育過生命嗎？如今火星上是否仍有生命殘存？

這些問題的核心，在于火星液態(tài)水的存在狀態(tài) —— 這團“生命之源”，究竟在火星上如何分布？如今已確鑿無疑：火星曾有過流動的水。但水量有多大？水的成因是什么？這些問題仍然存在爭議。更具爭議性的是：如今，火星上是否仍可能存在潛藏的液態(tài)水。

布魯斯?雅各斯基是科羅拉多大學(xué)博爾德分校的行星科學(xué)家，近 50 年來，他一直致力于火星研究 —— 從深層內(nèi)核到地表形態(tài)。他曾在本科期間參與了 1976 年的“海盜號”任務(wù)，此后參與了多項 NASA 的火星項目?！禟nowable Magazine》對他展開采訪，該采訪主題也是他近期為《地球與行星科學(xué)年度評論（Annual Review of Earth and Planetary Sciences）》所撰寫的文章的相關(guān)內(nèi)容。（注：訪談內(nèi)容經(jīng)精簡編輯，旨在簡化篇幅，使其言簡意賅。）

人類對火星水的認知經(jīng)歷了怎樣的演變？

大約在上個世紀之交，天文學(xué)家珀西瓦爾?洛厄爾（Percival Lowell）通過分析提出，火星上存在運河，且運河必定是由智慧生命建造的。他的理論登上《紐約時報》頭版，那個時代與現(xiàn)在截然不同，討論焦點不在于是否存在運河或智慧生命，而是這些生命可能是什么形態(tài)，人類又該如何與這些火星生物溝通。

他的觀點始終未被天文界接受。人們一直認為那些所謂的“運河”屬于視覺錯覺 —— 火星地表某些紋路相連，形成了類似直線的假象。當(dāng)探測器最終抵達火星，我們并未發(fā)現(xiàn)任何與洛厄爾運河圖相吻合的地貌特征。

從 20 世紀 40 年代開始，天文學(xué)家通過觀測，逐漸揭示了火星環(huán)境的真實面貌。1965 年，首艘探測器掠過火星時，我們測定其大氣壓僅約 6 毫巴，平均氣溫低至零下 50 攝氏度。這表明液態(tài)水無法在火星上穩(wěn)定存在。如果把一桶水放在火星表面，水過一會兒就會凍結(jié)或蒸發(fā)。

這些發(fā)現(xiàn)徹底終結(jié)了“火星是一顆溫暖濕潤的星球”的幻想。但這并未消滅火星可能存在生命的希望。

火星探測任務(wù)并未發(fā)現(xiàn)外星人建造的運河，但卻發(fā)現(xiàn)了許多看起來像是液態(tài)水侵蝕形成的地貌。最近，有新聞報道了“好奇號”探測器在 2022 年拍攝的圖像。該圖像顯示，古代無冰湖泊留下了波紋狀痕跡。最新的報道還提到，探測發(fā)現(xiàn)了古代海洋的沿海沉積物痕跡。

距今 43 億至 35 億年前存在液態(tài)水的證據(jù)已極具說服力。我們在撞擊坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個古代湖泊的遺跡。最確鑿的證據(jù)來自耶澤羅隕石坑。在坑中，水流進入湖泊時沉積了一片三角洲，形成了由水?dāng)y帶的沉積物扇形堆積。

我們還發(fā)現(xiàn)了山頂冰川、類似河流支流的河谷網(wǎng)絡(luò)，同時還有證據(jù)表明水從地殼內(nèi)部噴涌而出，形成了災(zāi)難性洪水的沖刷通道。這些洪水釋放了大量的水。此外，火星上的某些礦物也需要水的參與才能形成。

大約 30 億到 40 億年前的火星是什么樣子？

當(dāng)時的溫度一定足夠高，可以讓液態(tài)水存在。但我們并不清楚具體溫度有多暖，變暖原因亦成謎。不過除此之外，我們對那時的火星環(huán)境還是很了解的（笑）。

要讓星球升溫，溫室氣體必不可少，而二氧化碳就是強效溫室氣體。因此我們推測，遠古火星大氣中必定含有更高濃度的二氧化碳。然而，40 億年前，太陽的亮度比現(xiàn)在低 30%。在計算機模擬中，即使在大氣中加入更多的二氧化碳，也無法將溫度提升到足夠高。因此模擬中需要引入另一種溫室氣體 —— 目前我們處于“先選定氣體，再計算所需濃度，最后驗證可行性”的階段。

此外，火星自轉(zhuǎn)軸傾斜角度會隨時間變化。這對氣候產(chǎn)生了什么影響？我們尚不清楚。

火星歷史總水量有多少？

根據(jù)我 2024 年的論文計算，若將火星歷史上所有水匯聚起來，可在地表形成 380 至 1970 米厚的均勻水層。相比之下，地球上的水總量可以形成一層 1400 米厚的水層。不過，該類比并不完全公平。火星的計算包括了所有時期的水，而這些水并非同時存在于地表。而在地球上，大部分水至今仍儲于海洋中。

遠古火星雖比現(xiàn)在濕潤得多，但即便在最濕潤時期，火星的地表仍可能非常干燥。在這些布滿徑流的河谷網(wǎng)絡(luò)中，每平方公里的河道密度其實與地球上最干旱地區(qū)（如撒哈拉沙漠）相當(dāng)。

冰川狀地貌 —— 在兩個山脊間，大量物質(zhì)似乎曾向下流動，形成冰川狀地貌（Glacier-like features），這暗示火星中緯度地區(qū)過去可能存在冰層堆積。圖片來源：美國國家航空航天局 /噴氣推進實驗室-加州理工 / 亞利桑那大學(xué)

那么今天的火星上還剩多少水？

如今，火星上的水主要以冰的形式存在。在火星的兩極，軌道探測器觀測到幾公里厚的冰層。通過光譜儀可以確認這是水結(jié)成的冰，雷達也能觀察到其結(jié)構(gòu)。如果把這些冰均勻地鋪滿整個火星，可形成 20 至 30 米厚的冰層。此外，中緯度地區(qū)也發(fā)現(xiàn)少量冰。

火星大氣中還有微量水蒸氣，其含量比地球上的水蒸氣低數(shù)個數(shù)量級。但這些水蒸氣可以形成云層，影響溫度和氣候?；鹦巧嫌幸粋€完整的水循環(huán)系統(tǒng)：可以降雪，但溫度過低，無法形成降雨。

最大的未解之謎是：火星地殼深處是否存在水。我們認為水應(yīng)該存在，因為這些水可能從早期濕潤環(huán)境中滲入地殼（類似于地球上的情況）。我們可以估算其潛在儲量 —— 可能占火星總水量的半數(shù)，但尚未確認。

火星上的水都去哪了？

從那些大型洪流通道中流出的水最終匯聚到北半球低地，本可形成巨型湖泊。但其結(jié)局尚不清楚。是蒸發(fā)殆盡，還是凍結(jié)后被塵土掩埋？我們不得而知。

數(shù)十億年前就存在于火星表面的大量的水已經(jīng)被礦物吸收。通過計算得出，至少相當(dāng)于 110 米厚的全球水層（若均勻鋪開）已流失到太空。

為什么火星上有大量的水流失到太空中？

我們曾認為，主要原因是火星失去了磁場，導(dǎo)致大氣層流失，從而使水被剝離到了太空中。但是現(xiàn)在我們知道，該機制遠比想象中更復(fù)雜。目前，我們?nèi)栽谠噲D弄清水流失的細節(jié)。

當(dāng)今火星上還有液態(tài)水存在嗎？

這正是關(guān)鍵問題。在中低緯度地區(qū)，我們認為土壤中可能存在微量的液態(tài)水。這些水可能由礦物固定。在 20 世紀 90 年代，“鳳凰號”探測器著陸火星時，曾在著陸過程中揚起的塵土中探測了水滴。但這些水的含量遠遠低于地球生命所需的水平。

火星地下可能存在鹵水。但低溫環(huán)境下，需要高濃度的鹽分，以及特定的鹽類成分組合，才能讓液態(tài)水在表面保持穩(wěn)定。由于我們尚未檢測到這些鹵水的存在，因此無法確定其具體性質(zhì)。

關(guān)于火星南極冰蓋下是否存在液態(tài)水層的爭議已持續(xù)數(shù)年。歐洲雷達儀器數(shù)據(jù)顯示，冰蓋下 1 公里處可能存在液態(tài)水層。但該結(jié)論頗具爭議，目前暫不采信。

我們還觀測到被稱為“季節(jié)性斜坡紋線”的地貌，其特征像是沿著斜坡向下延伸的黑色條紋。這些深色條紋會隨季節(jié)生長延伸。軌道探測器拍攝過其生長前后的變化影像。有一種假設(shè)認為，這可能是由快速上升的地下水補給造成的，或者是夏季少量冰融化后潤滑了坡面。但其水源成因尚未可知，也可能是干雪崩（dry avalanche）造成的。畢竟火星和其他行星上存在許多地球沒有的地質(zhì)現(xiàn)象。

如果想尋找液態(tài)水，該去哪里找？怎么找？

如果想在火星表面附近尋找大量的液態(tài)水，我會關(guān)注最近的火山活動區(qū)域。在那里，我們可能會發(fā)現(xiàn)類似地球上的熱液噴口。已有證據(jù)顯示，火星地質(zhì)近期（數(shù)百萬年內(nèi)）仍有火山活動。雖然我們還沒有直接觀測到活躍的火山活動，但這并不意味著它不存在。

在火星地殼 2 至 3 公里深處，地?zé)峒訜釙箿囟壬帘c以上。液態(tài)水可能存在于微米到毫米大小的孔隙之中。雖然單個孔隙的水量不多，但總體加起來可能會形成可觀的水儲量。

要探測這些深層液態(tài)水，可采用在地球上探測液態(tài)水時所采用的電磁探測法，即“電磁探測技術(shù)”。例如，讓火星車鋪設(shè)千米級的電纜進行環(huán)形探測，或許能發(fā)現(xiàn)深層液態(tài)水。雖有構(gòu)想，但還沒有機會提出類似的火星任務(wù)。

地球生命存在的證據(jù)可追溯至 40 億年前。那么火星上曾經(jīng)存在生命的可能性有多高？

這是一個核心的問題。古代火星具備生命所需的環(huán)境條件：液態(tài)水；碳、氫、氧、氮等生命元素（這些元素至今仍然存在）；以及化學(xué)反應(yīng)提供的能量?；鹦窃?jīng)具備以上所有條件。

我的判斷？非有即無，非無即有，所以概率各占一半（笑）。我不作猜測?；鹦菨M足生命存在的條件，但是否真的有生命存在，只有通過實地探測才能找到答案。

目前火星生命探測有何發(fā)現(xiàn)？

70 年代，海盜號曾兩次嘗試尋找火星生命。如今看來，當(dāng)時的實驗設(shè)計存在缺陷。那時的實驗的基本思路是：取一份火星土壤，加入液態(tài)水和有機營養(yǎng)物質(zhì)，觀察是否發(fā)生與生命相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。

“我們在火星和其他行星上，觀測到許多地球上沒有的現(xiàn)象。”

—— 布魯斯?賈各斯基

當(dāng)時的觀測結(jié)果中存在一些積極的跡象，但情況很復(fù)雜。最終的主流意見是：“海盜號”并未檢測到生命。不過，今天我們知道，在地球上，99.99% 的微生物無法在實驗室中培養(yǎng)，因為脫離原生環(huán)境后，缺失了某些支持微生物生存的關(guān)鍵條件。由此可見，想隨機采集火星上的有機物樣本并培養(yǎng)出生命，幾乎沒有可能。

九十年代，科學(xué)家在南極洲發(fā)現(xiàn)了一塊來自火星的隕石（艾倫丘陵隕石）。約翰遜航天中心的研究團隊提出，這塊隕石中可能存在生命的證據(jù)。但該結(jié)論缺乏說服力。盡管如此，該研究教會了我們?nèi)绾螌ふ疑暮圹E。

什么樣的證據(jù)能證明火星上存在生命？

要證明生命存在，需要多種測量結(jié)果相互印證。例如，針對古代生命，如果發(fā)現(xiàn)化石形態(tài)、有機分子和同位素證據(jù)都指向生命存在，則極具說服力。對于現(xiàn)今的生命，若能識別出與地球生物截然不同的有機體，就能排除地球污染的可能性，證明它是火星本土的生命。

人類已帶回月球樣本，但尚未將火星樣本帶回地球。未來計劃如何？

“毅力號”探測器目前正在收集樣本并計劃送回地球。取樣地點選在已知曾經(jīng)存在液態(tài)水的區(qū)域。這是一項復(fù)雜的任務(wù)?！耙懔μ枴睂颖敬娣旁诩s一厘米寬、香煙長度的管子中，并將其放置在地表的明確標記點。未來將有一艘航天器負責(zé)收集這些樣本，裝入排球大小的容器，由火星上升器送入軌道，再由另一航天器帶回地球。但這一切要等到 2030 年之后才能實現(xiàn)。

中國也計劃開展“抓取式”采樣的任務(wù)。探測器會著陸火星，采集一些土壤或巖石樣本，裝入火箭送回地球。

自 1965 年起，各國已成功執(zhí)行 20 余次火星任務(wù)，包括飛掠、軌道環(huán)繞和著陸探測。您是 NASA“火星大氣與揮發(fā)性演化（MAVEN）”任務(wù)的首席研究員。該探測器自 2014 年起環(huán)繞火星運行。它的主要成就是什么？

MAVEN 是唯一專注于研究火星高層大氣及氣體逃逸到太空的探測器。它取得了很大的成功，但我們?nèi)匀粵]有完全了解火星的歷史。想象一下，僅靠少數(shù)幾次任務(wù)，就試圖理解一個星球的歷史，就像試圖用少量研究來了解數(shù)百年地球歷史一樣，其難度可想而知。

在即將開展的火星任務(wù)中，哪些最令人期待？

據(jù)我所知，接下來只有兩次任務(wù)。美國國家航空航天局的“逃逸（Escapade）”任務(wù) —— 這是一次小型軌道環(huán)繞探測任務(wù) —— 可能會在今年晚些時候發(fā)射。它將研究火星高層大氣，與“火星大氣與揮發(fā)物演化（MAVEN）”的研究相互補充。

第二次任務(wù)是“羅莎琳德?富蘭克林（Rosalind Franklin）”任務(wù)。這原本是歐洲航天局與俄羅斯的一項合作任務(wù)，原計劃于 2020 年發(fā)射，但后來推遲到 2022 年底。然而，2022 年俄烏沖突后，歐洲航天局退出了這一合作。他們把航天器上的所有俄羅斯硬件都拆了下來，因此發(fā)射日期不得不推遲到最早 2028 年。

這是一項著陸器和漫游車任務(wù)。它將要完成一件前所未有的大事，即首次鉆探火星表面以下 2 米深處。在這個深度，有機分子可以免受銀河宇宙射線和太陽粒子的破壞。

我們是否應(yīng)該將人類送往火星？

我認為，從科學(xué)角度來看，這是勢在必行的。人類可以比機器人探測器完成更多任務(wù)，而且效率更高。

另一個原因是國家威望。第三個原因是激發(fā)人們對投身科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）領(lǐng)域職業(yè)的興趣。

這項任務(wù)是可行的，但非常困難，而且成本高昂，代價不菲。要想完成這項任務(wù)，可信的最低成本預(yù)算是 1000 億美元。埃隆?馬斯克（Elon Musk）曾表示，可以在四年內(nèi)實現(xiàn)載人火星任務(wù)。但我認為，這忽略了許多問題，比如生命維持系統(tǒng)、如何讓人類在為期三年的往返任務(wù)中生存下來，以及如何制造足夠的燃料返回地球。我預(yù)測，距離載人火星任務(wù)的達成，還需要 10 到 15 年的時間。

作者：Nicola Jones

翻譯：邊穎

審校：7 號機

原文鏈接：Ghost rivers, hidden lakes: The long search for water on Mars

本文來自微信公眾號：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Nicola Jones