互动科普

火星上的气候变化

Jeffrey S. Kargel， Robert G. Storm

气候史——不时被许多相当温暖的时期所打断的历史。在某些时候，大量的水自由地流过火星的表面；在考虑这一非常惊人的事实对于在火星上存在生命的可能性与下一轮火星考察(它现在正在开始进行；见后文中的框内文字)的方法来说意味着什么？值得回顾一下以前考察火星的方式是如何逆转的。

模糊的回忆

仔细检查“水手”号与“海盗”号轨道获得的图像时，行星科学家们很快注意到，大部份老的环形山(不像月球上的环形山)都是有蚀痕的，并且类似于泥石流的特征发生在火星上几乎每一个大而年轻的环形山周围。这样的多泥的“排出物”也许是过去当一个小行星或彗星与火山表面碰撞时的大变动时刻的冰冻残痕。这种碰撞融化了一大片永久冻土(在那里水浸透的土地已被冰冻)并撞开一个大孔(在地下深处含有液态水的地带上开孔放出了水)。到了70年代后期，行星学家们得出的结论是，数量相当大的地下冰与水曾在火星的大部份历史中存在于火星的表面之下。

但是，并不是所有的火星环形山都有这些环绕它们的泥流。小的环形山显得更像它们在月球上的对应物，只有一些干燥的排出物条痕散布在它们周围口靠近火星的赤道外，仅有直径约大于4公里的环形山才显示多泥的排出物。但是愈靠近火星的两极，直径小至1公里的环形山也有残留的泥流。这种对纬度的依从性是因为无冰的表层在厚度上的变化而产生的。因为火星的热带比较温暖，使大部分冻结水的亚表面净化，所以这一层在赤道附近比在两极附近扩展更深(大约800米)。从而在赤道附近，仅仅较大天体(即留下相当大的环形山的那些较大天体)的冲击会向下穿过上层，打出洞来加热下面的永久冰冻土，释放出泥的洪流。

研究人员后来发现了表明一个冰冻土地的厚底层存在于火星上的证据。他们也辨别出了冰曾经在该表面上形成的证据。在那里似乎产生了特有的冰川地貌。这些特征包括融化的冰川在其边缘留下的沉积物漂砾脊和在冰下因溪流流动而在冰川下沉积出沙与砾石的弯弯曲曲的线条(所谓的冰川沙堆)。

在火星上的许多说明问题的地貌类似于地球上结霜的场地。例如，在火星上有凹痕的地带相当于在地球上的所谓热岩溶，这种热岩溶是在浅的水平上含有的冰发生融化后与地面崩塌时形成的。在一些火星的山脉的侧面上所看到的岩石碎片的围裙形凸起，可能是乱石覆盖的冰川。要不，它们更可能是“岩石冰川”，就像在地球上的阿拉斯加山脉内与南极的干河谷中形成的那些一样。这些与众不同的倾斜表面是在数千次冻结-融化循环引起地表1米左右水浸泡的地面慢慢向山下滑塌造成的。

冰川特征与环形山周围的泥排出物不是形成火星表面的水的唯一例子。在一些地方，1公里宽与数百公里长的蜿蜓河谷形成大的分支网络。康奈尔大学的Carl Sagan，亚利桑那大学的Victor R. Baker及其同事在70年代提出，这样的地沟是由流水造成的。其它的火星河谷都有圆头的起点与短的支流，这些特征象征着山地下水造成的侵蚀，在地球上常见的这种过程起因于地下泉水的渗漏，它使上面覆盖的岩石与土壤被冲走。

火星的图像也揭示了在表面上被蚀刻的流出通道。这些结构中的一些有200多公里宽，并能延伸2000公里以上。这些通道从被称为浑沌地带的地方流出。这些地带是由地下水突然向外涌出时显然倒塌的破碎而又杂乱的岩石组成的。跟着而来的洪水刻出了巨大的通道，留下了100多公里长的岛屿并凿出了几百公尺深的凹进去的坑洼。Baker将火星的流出通道与在俄勒冈州和华盛顿州某些部分地面上发现的、虽然较小但类似的洪水特征作了比较。那些太平洋西北部的所谓有沟的崎岖地是在堵塞一个大湖的冰川突然破开，并且引发了一场灾难性的洪水后形成的。

    火星流出通道的几何形状表明，水能够以快至每秒75米〔每小时170英里)的速度沿着表面流动、美国地质调查所的Micheal H, Carr估计，产生这么多巨大通道所需要的大量的水足以装满深达500米的火星全球海洋，虽然不是所有这种水都是同时流动的。那些大量的水的一个来源也许是火星上的Vales Marineri的深深的湖泊，Valles Marineris这一地区部分覆盖着显然是古代湖泊沉积物的沉积层。水也能够从充满冰的永久冻土下的大储水层涌出。这些永久冻土经过该行星内部热量的加温。

为什么这样一种地下积累水会突然掩没火星表面?科学家们不确知其真正原因，但是也许由于一次突然的气候变暖，火山活动或地壳构造的隆起，造成覆盖在它上面的结冰的永久冻土变薄与变弱以后，这些地下水可以开始流动。也许是一次大的陨石碰撞或地震引发了这

种滔天大水。一旦水突破表面，来自饱和地下水〔一种火星的矿泉水)中的二氧化碳便可以大量喷出，进一步破坏饱和地下层的稳定性。结果是产生浑沌的地形并释放出其大小是任何地球上的洪水(如果有过的话)也很少能与之相比的洪水和泥流。

远去的海洋

在火星上的一些高山地区包括延伸的河谷系统，它们流入洪水沉积的注地中。这些低地曾经充满过水。这些火星湖泊中最大的一个有着两个被称为Hellas与Argyre的巨大冲积盆地。

但是这些湖泊也许不是这个行星上最大的水体。美国地质调查所的David H, Scott与Kenneth L. Tanaka领导的研究小组和美国国家航空与航天局艾米斯研究中心的Jeffrey领导的研究小组分别得出的结论是，屡次从流出通道流出的洪水流到北部，并且形成一系列的临时湖泊与海洋。我们认为环绕这些古老冲积盆地的特征标志着冰川曾经在那里流进这些深深水体之中。Tanaka与Moore认为，沉积在这些海上的厚厚的沉积物层现在延伸到了北部广阔平原。根据几个估计，在火星上较大的北部海之一的容量可能有墨西哥湾与地中海加在一起这么大。

但是，即使那样大的水体也不可能是最大的例子，也许有一个火星海洋。早在1973年宾夕法尼亚大学已故的Henry Faul在一篇他浪漫地冠以“水中精灵Olympic的峭壁”这样一个题目的论文中提出了这种引人入胜的可能性，可以理解的是，由于那时缺少可以利用的观

察资料，这篇论文没有被接受出版。但是，在过去的10年期间，利用“海盗”号飞行期间所获得的信息进行研究的其它研究人员已经使Faul的想法复活了。

例如，在加州帕萨迪纳的喷气推进实验室的Timothy. Parker及其同事于1989年又提出了一个北部海洋的想法(他争辨说，在北部平原的许多特征看起来好像源于海岸侵蚀)。但是，为了增大出版的希望，他们故意用世俗的标题“在火星的Deuteronilus Mensae地区的过渡

形态学：低地/高地边界改变的含意”，从而使他们的著作中刺激性的部分模糊不清，在随后的一篇论文中，这些研究人员大胆地用了一个更直接的标题来表达他们的想法：“火星北部平原的海岩地形学。”Back及其几个同事(包括我们在内)，部分受这样的工作的启发，将这一假设的北部海洋命名为Oceanus Borealis。我们算出它可能有地球上北冰洋的4倍大，并且我们提出了一种能够说明其形成原因的火星上水循环活动的假设。

尽管大多数行星科学家现在同意大的水体在火星上的北部平原反复形成，但许多人却不接受在那里曾有过一个真正的海洋的提法：一些人预计，只有一个广阔多泥的稀浆或泥浆海洋存在。无论如何，明显的是大量的水曾经在火星表面上流过。但是，关于那些水的去向仍不清楚。其中的一些可能渗透到表面下。冻结在永久冻土中，一些可能已经冻结在原地，并且现在伸展到了北部平原的许多地面上，为尘埃与沙子层所遮掩。一些水可能只不过蒸发掉了，后来又散失在空间，或者作为雪沉积在它的两极。

对过去的盐的研究

虽然古代冰川、河谷、湖泊与海洋留下的地形图像是火星曾经富于水分的强有力的实证，但是证据也来自其它的来源。以地球为基地对火星的光谱测定揭示出存在粘土矿物质。两个着陆器在执行“海盗”计划期间降落在火星表面，更直接地分析了火星土壤，并且发现它可能含有10%至20%的盐。火星上的岩石就像地球上的岩石一样，当暴露于水时。就发生反应而形成盐与粘土矿物质。但是目前在火星上占优势的寒冷与干燥条件下，这样的风化不可能发生。

一些科学家也研究了在地球上发现的火星岩石。这些罕见的火星表面标本在小行星或彗星碰撞后作为陨石落到地球上。在休斯敦月球与行星研究所的Allan H. Treiman与美国航空与航天局约翰逊空间中心的James L. Gooding在过去几年中证明了，在这些所谓的SNC陨石中的一些矿物质是由寒冷、盐与水引起化学变化形成的，而另一些则受暖和的水热溶液的影

响。他们的结论意味着，火星曾经有过相当温暖潮湿的气候，并且可能有过温泉。条件也许恰好适合维持生命。

那种可能性促使美国航空与航天局约翰逊空间中心的David S. McKay及其同事去检查一块SNC陨石，看看是否有古代火星生命的痕迹，虽然他们作出的存在化石微生物的结论有讨论的余地(一场激烈的争论确实在进行着)，他们所研究的岩石的组成(包括充满了可能山水落液中析出的矿物质的碎片)表明，在几十亿年前火星上的条件很可能是适合于生命存在的。

同意这种估计的许多大气物理学家已经得出了结论，火星过去已经向空间散失了数量非常之大的水蒸气。他们的理论计算值与各个苏联空间探测器所取得的测量十分吻合。那些探测结果表明，氧原子与氢原子(从暴露于阳光下的大气内的水分分解产生)从火星上流出。这些元素不断的损失意味着火星曾经有过装满一个Oceanus Borealis所需的全部水分。

但是水不是火星失去的唯一物质。最近加州理工学院的David M. Kass与Yuk L. Yung研究了二氧化碳(一种有效的温室气体)在火星大气中的演化情况。他们发现，随着时间的推移，大量的二氧化碳逸散到了空间。气态二氧化碳那样大的数量应该构成了浓厚的火星大气，其压力是地球表面压力的3倍。来自那种气体的温室效应得足以使火星的大部分表面升温到水的冰点之上。因此，根据这种观点，也似乎十分可能的是，在火星上的气候曾经比它现在暖和与湿润得多。

但是关于水能够怎样在火星表面上配置自己的许多问题仍然存在，那里真的有海洋吗?水会迅速地在不同储水层之间转移吗，火星何时是湿润的，湿润的时间有多久?虽然这些事件的绝对时间尚不清楚，但是大多数研究人员认为，在火星的整个历史中，水在多次间隔

中蚀刻过火星表面。来自大气中水分与二氧化碳的不断损失表明，火星在早期(即数十亿年前)可能特别温暖与湿润。但是一些气候温和的时期也许就在不久以前，亚利桑那大学的Timothy D. Swindle及其同事研究了由水溶液的变化产生的SNC陨石中的矿物质，并且测定出它们是在3亿年前形成的——按人类标准来看，是一段漫长的时间，但仅仅是存在了46亿年的太阳系的年龄的百分之几。但是，他们的结果带有相当大程度的不确定性。

在火星上湿润期的期限也难于准确地测量。如果有蚀痕的火星地貌是在典型的陆上冰川环境条件下形成的，那么就需要多于几千年但少于约1百万年的温暖与潮湿气候。如果这些条件持续的时间更显著地长一些，侵蚀会消除一切，只剩下一些撞击环形山的痕迹，就像它在地球上所发生的一样。

这种限制不适用于现在可看到的环形山形成以前的数十亿年前火星的最早的历史。一个年轻的火星很可能有过强有力的风化，使它的表面平坦。但是最后，当火星迈向中年的时候，它的外表成为寒冷、干燥与布满痘痕似的，仅仅分散间隔的温暖后来使某些地区的行星表面复原。但是使火星在温暖的与极冷的状态间转变的机制基本上仍是一个谜，科学家们现在只能够大胆提出对这些气候变化可以怎样发生的粗略解释。

在热辐射上旋转

一种假设涉及倾斜度的改变，即旋转轴从它垂直于轨道平面的理想位置倾斜。火星像地球一样，现在倾斜了24度，并且那种斜度通常随时间而改变。麻省理工学院的Jihad Touma与Jack L. Wisdom在1893年发现.，火星的倾斜度也可突然改变。倾斜轴在高达60度范围内

的偏移，每1千万年左右可以不时再现。此外，倾斜轴的方向与火星沿着其飞行的轨道也周期地随时间变化。

这些天体变化，特别是旋转轴向远处偏斜的趋势，能够引起季节温度过高过低的变化。即使具有如像今天所存在的这样稀薄的大气层，在倾斜度大的时期内在火星的中纬度与高纬度处的夏季温度可能有几周会继续不停地升到冰点之上。而火星的冬季甚至比它们现在更寒冷。

但是，由于火星的一极夏季足够温暖，大气层可能急剧地变化。从受热的极盖、地下矿泉水或者从富含二氧化碳的永久冻土中释放的气体可能使大气层厚得足以产生暂时的温室气候。水，于是能够存在在火星的表面。在这样的温暖期间带水的化学反应又形成盐与碳酸盐岩石。这一过程会慢慢地从大气中汲取二氧化碳，从而降低温室效应。回到中等水平的倾斜度可以进一步使火星冷却并降下干冰雪，从而使大气变得更稀薄。并使火星回到它的正常的极严寒的状态。

这一气候变化的理论需要经受检验，但是，新的观察结果与见解将无疑来自今后十年中一系列无人驾驶太空飞行器将对火星的访问。这些探险在1996年11月从发射美国的与俄罗斯的探测器开始。这一计划预定在2005年随着带回火星的岩石而结束。在SNC陨石中的那个也许是化石微生物的发现激发起了较快获得火星标本的想法，以便科学家们能够较好地判断几十亿年前——甚至在更近的时间内——是否有微生物存在于火星上。

很快就要进人航行中的美国太空飞行器包括“火星探险者”与“火星全球探测者”。“火星探险者”将在一个外流河床的漂砾平原上着陆，这一外流河曾经流入一个古代的大海。虽然这个着陆器没有准备直接研究生命的痕迹，但是它将放一个小的游动车辆来考察当地的环境。“探测者”号将从轨道上拍摄可以分辨只有几米大的特征的照片。来自这个轨道飞行器的测量结果也将让科学家们能够绘制详细的地形图与寻找冰的沉积以及古代的冰川、湖泊与河流的新证据。这些今后的使命所搜集到的信息可能给予科学家们一幅火星在它过去也许是3亿年以前最后的暖和气候期间是何模样的更为清晰的照片。

在地球上的3亿年以前，从鱼进化来的两栖动物从海里爬出来并栖居在沿岸沼泽地上，其它的复杂生物也可能同时在火星的海滨沿线繁衍吗?生命所需要的基本条件在火星历史中可能后来存在了100万年——在较早期间也许长得多。这些间隔期有助于生物进化成能够经得住气候的剧烈变化的形式吗?火星的生物今天在地下温泉中仍能存活吗?下一个十年的集中探察可能提供明确的答案，如果回答是肯定的话，它将标志着一个大得像人类历史上任何飞跃那样的知识上的飞跃。

火星探测器巡礼

现在有9个探查火星的计划正在准备中或者已上了制图板，并且这些无人飞行使命中的3个将在1996年11月或12月开始。第一个探测器——“火星全球勘察者”(Mars Global Surveyor)——被定于11月5日发射。在1997年夏季，“勘察者”号飞行器(下面的上图少将进入围绕火星的轨道，这是一个有利的位置，从那里飞行器将能够十分详细地测绘火星的表面。

发射“勘察者一号”后不到两周，国际火星96飞行将开始进行。俄罗斯与德国，法国、芬兰和其它几个国家合作将发射一个小的科学研究器群。一个太空飞行器将进人围绕火星的轨道，两个着陆的飞行器将轻轻着陆，两个“穿透器”将会把自己深埋在火星的土壤内。

12月初，美国航空与航天局将发射今年的第2个探测器“火星探险者”（Mars Pathfinder) 7个月后，“火星探险者”号将在一条古代冲刷通道口内的表面上着陆，这一事件将发生在7月4口。这一天距“海盗1号”，到达这一红色行星表面那一天有21年了。一旦安全地到达火星表面，“火星探险者”号就会放出一个小的六轮车(下图)来勘探紧靠着陆点周围的地形。在10年内，科学家们至少将再发送4个绕轨道飞行的太空飞行器与另外5个表面探测器来研究火星(按右面的时表)。虽然美国的探查计划原来要求在2005年进行一次样本回收飞行。但是最近发现的在火星上可能存在微观生命形式的证据，促使美国航空与航天局考虑加速那个进程。

将火星岩石带回地球这样一次飞行任务。虽然在科学上是最激动人心的，但在技术上

也是已经预定的所有计划中最困难的。探测器将能够携带足够数量的氢(一种方便的很轻的元素)作为飞回来的燃料，但是太空飞行器也许必须再补充些较重的氧，以便在返回期间燃烧这种氢。为了解决这一问题，太空飞行器也许必须在火星表面上通过分解二氧化碳获得氧的供应源。幸亏，二氧化碳是火星大气中可以大量利用的一种物质。

（胡天其 译；王世德 校）