↑一群国家地理控，专注于探索极致世界
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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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 ）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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令江河奔流不止
（新疆伊犁河谷，摄影师@马俊华）
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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）
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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）
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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）
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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）
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本文创作团队
主笔：云舞空城
编辑：所长
