迄今為止，我們對火星的了解有多少？

歷史的脈絡

地球與火星之間的距離是周期性變化的。當太陽、地球、火星三者排成一條直線，且火星和地球位於太陽的同一側，此時被稱為「火星沖日」。如果火星與地球之間的距離最近則稱為「火星大沖」。根據三個天體的運行軌道，火星大沖每隔15～17年發生一次。在航天時代之前，火星大沖是觀測火星的最佳時期，也是許多天文學家期待已久的重要時刻。

發生在1877年8月的火星大沖獲得了具有深遠影響的兩個觀測發現。其一是阿薩夫·霍爾獲得的，他利用美國海軍天文台的66厘米折射望遠鏡發現了火星的兩顆衛星。這兩顆衛星的平均直徑分別只有22.2km和12.4km，若不是趕上火星大沖是很難被發現的。霍爾給這兩顆衛星分別取名「害怕」（Phobos，福布斯）和「恐懼」（Deimos，德莫斯），他們是羅馬神話中戰神瑪爾斯（Mars）的兩個兒子。

其二是義大利天文學家喬凡尼·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）發現了火星「運河」。夏帕雷利是位於米蘭的布雷拉天文台的台長，擁有使用天文望遠鏡的便利。在火星大沖期間，他發現火星表面布滿了縱橫交錯的細線。在用義大利語寫的論文中，他推測這些細線可能是火星上的「河道」（Canali）。Canali泛指河網體系，並無特指是人工開鑿的還是天然形成的，對應的英語單詞為Channel。但不知是媒體為了吸引公眾眼球有意為之，還是譯者的疏忽大意，夏帕雷利發現的Canali在英語報道中被譯成了Canal（運河）。雖然僅比義大利語少了一個字母，但其字面含義卻從泛指的「河道」變成了特指的「運河」。運河當然需要大量人工才能挖掘，自然而然就讓人們聯想到火星人、火星航道、火星灌溉和火星農業。

火星運河一經報道便立即吸引了全世界的關注，並激發了一批狂熱的追「星」族，居住在美國波士頓的富翁羅威爾（P. Lowell）就是其中一位。一個偶然的機會，羅威爾看到英文報紙上關於火星運河的報道，從此入迷並窮其一生投入其中。他放棄了大部分生意，購買了當時最好的望遠鏡，在亞利桑那州高山上的旗杆鎮建立起一個私人天文台。羅威爾自己任台長，並高薪聘請天文學家幫他尋找火星運河和火星人。

火星

羅威爾至死也沒有找到火星人，他孜孜以求尋找的火星運河後來也被證實為子虛烏有的誤讀。但科學上的努力不會白費，1930年，羅威爾天文台聘請的觀測助理、年僅22歲的農村少年湯博，利用羅威爾斥資建造的天文望遠鏡發現了冥王星，並長期被視為九大行星之一，這一發現拓展了太陽系的疆域。

有意栽花花不發，無心插柳柳成蔭。科學史上的重大突破往往會在看似匪夷所思和不經意間實現。坐在蘋果樹下冥想的牛頓，被蘋果砸中而想到萬有引力；致力於尋找火星運河的羅威爾天文台，卻發現了冥王星；阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在研製無線電天線時，一心希望消除天線雜訊，卻發現了怎麼也消除不掉的宇宙微波背景輻射，成為支撐宇宙大爆炸理論最重要的證據。

基礎性的科學研究是一項社會公益事業，看似毫無回報，卻可以拓展人類視野，提升人類能力，從而改變人類觀察世界的角度，成為牽引人類社會文明進步的唯一動力。從這個意義上講，基於興趣的自由探索研究其回報是巨大的。科學研究是全人類的共同事業，每個民族都不能只是索取，都有義務和責任投入其中，作出本民族的應有貢獻。看看大中小學的教科書，有多少知識是我們中國人首先發現或提出來的呢？所以，在對人類知識庫的貢獻上，我們還需要更加努力。

深遠的問題

「春江潮水連海平，海上明月共潮生。」《春江花月夜》中描繪了一幅明月升起、江河入海的唯美畫面，這樣的場景是否也曾出現在火星上？

從軌道遙感到表面巡視，結果表明，如今的火星表面沒有任何的液態水體。火星上的水是何時開始消失的？是埋藏到了地下，還是逃逸到了太空？是通過什麼方式、用了多久才消失殆盡的？

水是生命之源，地球上的水孕育了豐富多彩的生物世界和紛繁複雜的物種演化歷史。根據地球的經驗，行星上孕育生命除了需要組成生命物質的原料、作為反應溶劑的水、適宜的環境條件等要素外，還需要漫長的演化時間。火星上的水體持續了多長時間？持續時間是否足以讓火星孕育出生命？

如果火星曾經孕育出生命，那麼，火星生命發展到了什麼階段？是低端的微生物還是高端的植物和動物？在火星上可以發掘到古生物化石嗎？地球上的生命是如此孤獨，他們迫切地希望在宇宙中找到自己的同類，這是人類探索火星的基本出發點之一。

人類在地球上的命運十分脆弱，不僅面臨地震、海嘯等重大地質災害，還需要面對超級太陽風暴、小天體撞擊地球、地球磁極倒轉等重大天文災難。在滅頂之災來臨之前，人類必須在太陽系中找到一個避難所，這是深空探測的使命和責任。否則，現在高高在上的我們也只能像曾經統治地球的恐龍一樣，成為地層中的一堆堆骨骼化石。

環視太陽系，火星是唯一與地球環境最相似的星球。那麼，如今的火星環境是否適合人類生存？奔向火星的「諾亞方舟」何時才能造就？登陸火星人類何時才能實現？

探索的足跡

進入航天時代以來，美國人成為了火星探測的幸運兒。他們不僅保持著極高的成功率，而且接二連三的重大科學發現使美國至今保持著全球深空探測的領導地位。

1976年著陸火星表面的「海盜1號」和「海盜2號」是火星生命探索的先驅，其主要目標是探索火星上有無生物，希望通過生物科學實驗直接確定火星紅色土壤中是否存在生命，但結果並沒有獲得火星生命的證據。

海盜1號

進入新世紀以來，人類先後發射環繞火星的軌道器、著陸在火星表面的著陸器、巡視探測的火星車，開展了高解析度的地形地貌成像，並運用了雷達探測、光譜、質譜和中子分析等多方面探測手段，獲得了流水侵蝕、河流衝擊扇和三角洲等地貌特徵，發現了水成礦物和鹽湖沉積、沉積岩石地層，以及極地冰蓋、大氣中的甲烷和水蒸氣等系列證據，證明火星表面曾經有過大規模的水體活動，暗示火星曾經有過適宜生命繁衍的環境特徵，並可能發育過生命。

2001年 奧德賽號：水流痕迹

奧德賽號的全稱是2001火星奧德賽探測器（2001 Mars Odyssey），於2001年4月7日發射升空，同年10月24日到達火星軌道。這是一顆環繞火星進行探測的軌道器，利用火星大氣阻力進行減速以進入環繞火星軌道。2002年1月，奧德賽號氣阻減速完成，同年2月19日開始科學任務。

火星奧德賽探測器

奧德賽號耗資約2.97億美元，由洛克希德·馬丁公司研製，主要承擔火星探測漫遊者（機遇號和勇氣號火星車）、鳳凰號著陸器與地球之間的通信中繼任務，同時探測數種元素的全球分布及其含量，尋找火星表面水與火山活動的痕迹。

2003年 機遇號和勇氣號：粘土礦物

機遇號和勇氣號是一對「孿生兄弟」，於2003年年中發射升空，2004年1月降落在火星，最初「工作任務」是完成3個月火星探險，到2013年8月已離開地球10周年。勇氣號於2010年停止工作，而機遇號依舊孜孜不倦，不斷發回探測成果。

機遇號火星探測器

2013年5月，機遇號火星車在一塊岩石中分析發現了豐富的粘土礦物。粘土礦物是水與岩石發生長期反應，導致岩石的化學成分發生重大改變而形成的，這說明曾經有大量的水流經並浸泡這塊岩石。

這塊名為「埃斯佩朗斯6號」的岩石表面覆蓋著塵埃和雜質，機遇號一共嘗試了7次，才磨掉表層物質，進而分析石塊內部的物質組成。這塊岩石中的粘土礦物富含鋁，非常類似於地球上的微晶高嶺石，說明當時流經岩石縫隙的水是中性的。埃斯佩朗斯6號形成於火星歷史最初的10億年，是機遇號檢測過的最古老岩石。

機遇號此前分析過多塊岩石，雖然也都發現火星曾經有過濕潤環境，證明火星上曾經有過水體活動。但是，這些水體大多是酸性的，而生命的進化和繁衍需要一個中性的環境，在酸性環境中很難通過化學反應轉化為生命。此次，機遇號發現可飲用的中性水，成為可以支持生命誕生的重要證據。

2004年 火星快車：海岸線和沉積物

如今的火星表面類似於地球上的戈壁灘，是一片不毛之地。但已有證據顯示，火星上曾經兩度存在海洋。大約40億年前，隨著氣候逐漸變暖，埋藏在地下的大量冰融化後湧出地面，形成了最早的火星海洋。之後環境惡化，液態水逐漸退回並凍結於地下。另一次火星海洋則出現在30億年前。

2004年歐洲空間局發射的火星快車，獲得了火星的可見光圖像數據、礦物分析數據，以及大氣觀測結果，證明火星曾經有水。但是，曾經龐大的火星地表水體後來到哪裡去了呢？

歐空局火星快車

2012年2月，火星快車上的雷達探測結果展示了火星地表以下60～80米的情況，發現北部平原的地下存在一層低密度物質，可能是某種富含冰的沉積物。這層低密度物質讓人不由地聯想到地球海床中也有類似的沉積物。更重要的是，這層物質正好位於此前任務發現的火星海岸線以內。這說明火星乾涸的北部平原在數十億年前可能是一片汪洋，如今的紅色行星可能曾經是一個藍色星球。

火星的北部平原在數十億年前可能是一片汪洋（左），火星快車探測器發現的「海床」沉積物恰好位於火星的古海岸線以內（右）。

雷達探測在火星北部平原發現了一層低密度物質。

2005年 火星勘測軌道器：大氣潮汐

火星勘測軌道器測量到火星大氣一天中的最高溫度不僅出現在中午時刻，還會出現在午夜之後。這種每天出現的大氣溫度和壓力的振蕩被稱為大氣潮汐現象（2013年7月《地球物理研究快報》）。

火星勘測軌道器

火星大氣在一年中的大部分時間都有水冰雲——類似地球上薄捲雲一樣的相對透明的雲。水冰雲每天通過中層大氣吸收足夠熱量。當進入黑夜，這些水冰雲的輻射效應開始顯現，導致火星大氣出現潮汐現象。

2008年 鳳凰號：發現水冰

2008年5月25日，鳳凰號在火星北半球的北方大平原著陸。它在北極附近的永久凍土帶採集和分析火星土壤樣本，進行了5個月的成功探測，首次證實火星上確實有水存在。鳳凰號還發現了火星土壤中含有高氯酸鹽，這是許多微生物賴以生存的化學物質。

鳳凰號著陸器

鳳凰號著陸器有一個高溫爐和質譜儀的結合體——熱量和揮發氣體分析儀，用來分析火星土壤樣品。機械臂於2008年5月31日首次接觸火星土壤，挖掘的土壤樣品被送到該儀器的高溫爐中密封並加熱。當溫度加熱到0攝氏度時，質譜儀檢測到了水蒸汽，證實火星土壤中含有水冰。

當高溫爐持續加熱到1000攝氏度時，土壤中的其他揮發性物質會蒸發成氣體，通過惰性載體送到質譜儀，即可檢測到土壤中存在的微量有機分子。

2011年 好奇號：黃刀灣淡水湖

2011年11月26日，美國發射了好奇號火星車，於2012年8月6日登陸火星。好奇號耗資26億美元，重899公斤，外殼寬4.5米。重量是機遇號和勇氣號的3倍，體積是他們的2倍，大致相當於一輛SUV汽車。

好奇號火星探測器著陸

好奇號火星探測器

好奇號搭載了11種不同的科學儀器，是人類有史以來製造的體積最大、性能最高，也是最昂貴的火星車。好奇號著陸在火星蓋爾坑內中心山脈的山腳下，科學使命是探索火星在歷史上或如今的環境下是否適宜生命生存，為最終發現火星生命做準備。

2012年9月，好奇號發回了距離著陸點400米的「格萊內爾格」區域中古老河床礫岩層的圖像。這些圖像展示了礫岩中的石子大小和形狀。石子大小介於沙粒到乒乓球之間，其中不少是圓形的，很像是地球上河床底部的鵝卵石。石子的形狀和大小組合透露出它們是被水流長期沖刷、磨蝕而成的。若要衝刷形成這種尺寸的光滑鵝卵石，河流的水速應該為每秒0.2米至0.75米之間，水深在0.03米至0.9米之間。

2012年在蓋爾坑著陸後，好奇號發現著陸點附近有一個深達5米的溝槽，其中存在熱異常現象。好奇號對溝底的沉積岩進行了鑽探分析，結果證實36億年前那裡曾經是一個至少存在了數萬年的湖泊，湖泊長約50千米，寬約5千米。湖泊遺迹所在區域被命名為「黃刀灣」。

科學家分析了從黃刀灣兩塊岩石樣本中提取的粘土，發現湖底區域的pH值呈中性，鹽度很低，說明黃刀灣曾經是一個淡水湖。而當時火星上的其它地區要麼已經乾涸，要麼分布著含鹽量高、不適合生命存活的酸性湖泊。

好奇號在湖底沉積物中還發現了碳、氫、氧、硫、氮和磷等關鍵生命元素，表明黃刀灣理論上可以支持一些簡單微生物的生存，這些自養型的原核微生物能通過分解岩石和礦物獲取能量。在地球上某些洞穴和熱泉噴口，也經常可以見到這類微生物。

黃刀灣在蓋爾坑內的位置

好奇號火星車上的桅杆相機拍攝的照片顯示，蓋爾坑裡的Glenlg區域分布著一系列沉積岩，圖中是在黃刀灣西北方向觀察到的情形。

黃刀灣的地質構造。好奇號所在的「羊床」（Sheepbed）是其中地勢最低的地方，它分別在John Klein和Cumberland兩點進行了鑽孔取樣。

黃刀灣的水體平靜，水質中性，擁有豐富的、生命所需的化學成分等，這些都是生命存活的重要條件，說明黃刀灣曾經是一個非常適合火星生命存活的湖泊（見2013年12月9日Science雜誌）。雖然科學家還沒有掌握火星存在遠古生命的直接證據，但這無疑是火星生命搜尋過程中非常積極的突破性進展。

好奇號的主要任務是尋找火星上可能適宜生命生存的地質環境，火星車上並沒有配備可以直接探測生命跡象的工具，所以尋找有機碳就成為搜尋火星生命的重要途徑。在火星上高強度的宇宙射線照射下，有機碳在火星表面的保存時間有限。好奇號的鑽探設備可以鑽至5厘米深處的岩石樣本，有機碳在這一深度的岩石中可以保存7000萬年左右。下一步，好奇號將尋找化學條件更利於保存有機物、有機物含量較高、輻射暴露時間較短的岩石樣本。一旦好奇號檢測到有機碳，那將是火星曾經有過生命的直接證據。

2013年 馬文號：揭開火星大氣之謎？

馬文號火星探測器的重量與尺寸大小（左），馬文號發射升空（右）。

2013年11月18日發射的馬文號火星探測器耗資約6.7億美元，配備了8種研究火星大氣成分、上層大氣、太陽風相互作用和電離層的高精度科學儀器，主要目標是精細探測火星大氣，尋找火星氣候變遷的動態原因，揭開火星大氣層變稀薄之謎。

尋找火星生命關鍵問題

（一）水是生命之源

好奇號將細顆粒的火星土壤加熱到835攝氏度，結果分解出了水、二氧化碳以及含硫化合物等物質。其中，火星土壤的含水率約為2%（重量百分比），只須加熱0.03立方米的火星土壤，就可以獲得1升水（見2013年9月26日Science雜誌）

火星土壤含有豐富的水，對未來載人登陸火星無疑是個激動人心的好消息。登陸火星的宇航員只需要鏟起火星土壤進行加熱，就可以獲得水，從而有望大大降低載人往返火星的運輸量，實現人類早日登陸火星。

好奇號同時還獲得了對載人登陸火星不利的消息，根據對火星大氣的分析，發現火星大氣主要由二氧化碳、氬氣、氮氣、氧氣和一氧化碳組成，其中二氧化碳約佔96％，氬氣和氮氣各佔1.9％，而對生命至關重要的氧氣則微乎其微。

通過高溫加熱分析，好奇號測量了火星土壤中各種氣體的氫與碳的同位素比值，結果發現土壤中重氫、碳的同位素比值與火星大氣測量值相近，說明火星土壤與大氣存在十分廣泛的氣體交換。火星土壤就像會呼吸的生物體一樣，與火星大氣進行著水和二氧化碳的交換。

（二）甲烷成因之謎

火星大氣中的甲烷是有機成因還是無機成因，甲烷源自何處，這是當前火星探測的熱點科學問題。2004年歐洲發射的火星快車在火星大氣中檢測到30ppb低濃度的甲烷氣體。2014年10～12月，好奇號監測到火星大氣中甲烷的平均含量大幅提高又很快消散的現象，說明火星上有相對固定的物質在釋放甲烷。

根據地球的經驗，火山噴發或地熱活動會釋放二氧化硫、二氧化碳，以及甲烷和乙烷等碳氫化合物；埋藏於地下的天然氣水合物（又稱可燃冰）可以釋放出甲烷；微生物活動也會釋放甲烷和硫化氫。所以，火星大氣中的甲烷有可能是地質過程釋放的，也可能是生物過程釋放的。如果一旦證實甲烷是微生物活動釋放的，那將是爆炸性新聞，屆時就可以宣布火星上發現了生命。

好奇號周圍的火星大氣中的甲烷含量飆升

火星大氣中甲烷的可能來源

未來的希望

由於地球和火星的軌道運動差異，火星探測器的發射窗口每26個月才會「打開」一次。截至2013年底，人類共進行了42次火星探測活動，其中成功的只有22次。從1996年以來的8個發射窗口，已經發射了11顆探測器，這些任務的成果十分豐碩。火星已經成為除地球之外人類認識程度最高的行星，甚至超過了人類已經登陸過的月球。

現在的火星寒冷而乾燥，大氣層厚度僅有地球的百分之一。但各種證據表明，火星曾經溫暖濕潤，曾經有過厚厚的大氣層。大約40億年前，火星發生過巨大變動，導致環境劇變，這或許是由於大規模火山噴發，或許由於遭受大型撞擊，也可能是由於猛烈的太陽風帶走了大部分大氣等等。不過自那以後，火星大氣基本穩定，至今沒有發生大的變化。

從追蹤水的痕迹，到探討火星環境是否可能孕育生命；從尋找大氣層中的甲烷，到發現有機物存在的證據。對火星生命的好奇心和對人類未來命運的危機感，吸引著我們一步步探索火星。雖然每一次探索任務的突破都是有限的，但或多或少都會帶來一些新的發現，這些逐漸積累起來的探測成果，終將變成人類移居火星的巨大力量。

（作者：鄭永春，中國科學院國家天文台）

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