10.5: 火星上的水与生命
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- 202212
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述火星上大气层的总体构成
- 解释一下我们对火星上极地冰盖的了解以及我们是如何知道的
- 描述火星过去历史上存在水的证据
- 总结支持和反对火星上生命可能性的证据
在太阳系的所有行星和卫星中，火星似乎是最有希望寻找生命的地方，包括化石微生物和（我们希望）地下深处的某些生命形式，这些生命至今仍然存在。 但是我们应该在哪里（以及如何）寻找生活呢？ 我们知道，地球上所有生命的共同要求是液态水。 因此，评估火星和其他地方宜居性的指导原则是 “顺水”。 这就是我们在本节中采用的视角，关注红色星球上的水，希望它能带领我们走向生命。
火星上的大气层和云层
如今，火星大气层的平均表面压力仅为0.007巴，不到地球的1％。 （这是距离地球表面约 30 千米的空气有多薄。） 火星空气主要由二氧化碳（95％）组成，氮气约为3％，氩气为2％。 不同气体的比例与金星大气中的比例相似（见表\(10.3.1\)），但是在火星稀薄的空气中发现的每种气体要少得多。
虽然火星上的风可以达到高速，但由于大气层太薄，它们产生的力量比地球上速度相同的风要小得多。 但是，风能够散发出非常细的尘埃颗粒，这些尘埃颗粒有时会在全球范围内形成沙尘暴。 正是这种细小的灰尘覆盖了几乎所有的表面，使火星呈现出独特的红色。 在没有地表水的情况下，风蚀在雕刻火星表面方面起着重要作用（图\(\PageIndex{1}\)）。
火星上的风能有多强的问题在2015年的热门电影《火星人》中起着重要作用，在这部电影中，主角在一场暴风雨中被埋在沙子里后被困在火星上，以至于他的宇航员们不得不离开地球，这样他们的飞船才不会受到损坏。 天文学家注意到，火星风不可能像影片中所描绘的那样强烈。 但是，在大多数方面，这部电影中对火星的描绘非常准确。
尽管大气中含有少量的水蒸气和偶尔的水冰云，但在火星目前的条件下，液态水并不稳定。 问题的一部分是地球上的低温。 但是，即使阳光明媚的夏日的温度升至冰点以上，低压也意味着除了海拔最低的地方外，液态水仍然无法存在于地表上。 在低于0.006巴的压力下，沸点等于或低于冰点，水直接从固体变为蒸汽，没有中间液态（地球上的 “干冰”，二氧化碳也是如此）。 但是，溶解在水中的盐会降低其冰点，正如我们从地球冬季冰雪形成后使用盐解冻道路的方式所知道的那样。 因此，在适当的条件下，盐水有时能够以液态形式存在于火星表面。
火星大气层中可以形成几种类型的云。 首先是尘云，如上所述。 其次是类似于地球上的水冰云。 它们通常在群山周围形成，就像在我们的星球上发生的那样。 最后，大气中的二氧化碳本身可以在高海拔地区凝结，形成干冰晶体的雾霾。 二氧化碳云在地球上没有对应物，因为在我们的星球上，温度永远不会降到足够低的水平（降至大约 150 K 或大约 125 °C），无法使这种气体凝结。
Polar Caps
通过望远镜，火星上最突出的表面特征是明亮的极地盖，它们会随着季节的变化而变化，类似于地球上的季节性积雪。 我们通常不会将北纬地区的冬季积雪视为极地盖的一部分，但从太空看，冬季稀薄的积雪与地球厚厚的永久冰盖融为一体，给人一种与火星上看到的印象非常相似（图\(\PageIndex{2}\)）。
火星上的季节性冰盖不是由普通的积雪组成的，而是由冰冻的二氧化碳（干冰）组成的。 当地表温度降至大约 150 K 以下时，这些沉积物会直接从大气中凝结。盖帽是在寒冷的火星冬季形成的，到春季开始时向下延伸到纬度大约 50°。
与这些薄的季节性二氧化碳上限截然不同的是两极附近始终存在的永久或残余上限。 南部的永久冰盖直径为350千米，由冻结的二氧化碳沉积物和大量的水冰组成。 在整个南方夏季，它一直处于二氧化碳的冰点，150 K，而且这个冷库足够厚，足以在夏季炎热中完好无损地存活。
北部的永久上限有所不同。 它要大得多，从不缩小到直径小于 1000 千米，并且由水冰组成。 北部的夏季气温太高，无法保留冷冻的二氧化碳。 Mars Global Surveyor的测量结果确定了火星北极地区的确切高度，表明它是一个大盆地，面积大约相当于我们自己的北冰洋盆地。 冰盖本身厚约3千米，总体积约为1000万平方公里（与地球的地中海相似）。 如果火星有大量的液态水，那么这个北极盆地就会有一片浅海。 有一些迹象表明可以看到古老的海岸线，但要证实这一建议，还需要更好的图像。
从轨道上拍摄的图像还显示了永久极帽周围的一种独特的地形，如图所示\(\PageIndex{2}\)。 在两个半球纬度超过80°的地区，地表由最近的分层沉积物组成，这些沉积物覆盖了下方较旧的火山口地面。 各个层的厚度通常为十到几十米，其标志是浅色和深色沉积物交替出现。 极地沉积物中的物质可能包括风从火星赤道地区携带的尘埃。
这些梯田层告诉我们关于火星的什么？ 一些循环过程会在一段时间内沉积灰尘和冰。 极地层代表的时间尺度为数万年。 显然，火星气候的周期性变化间隔与地球冰河时代之间的间隔相似。 计算表明，原因可能也很相似：随着太阳系的伟大发条穿过其步伐，其他行星的引力会导致火星的轨道和倾斜度发生变化。
夏季，凤凰号飞船降落在北极海角附近（图\(\PageIndex{3}\)）。 控制者知道它无法在极地冬季中幸存下来，但直接测量极地地区的特征被认为足够重要，足以派出专门的任务。 最激动人心的发现来自航天器试图在航天器下方挖一条浅沟的时候。 当上覆的灰尘被清除时，他们看到了亮白色的物质，显然是某种冰。 从接下来的几天里这种冰的升华方式来看，很明显它是冰冻的水。
示例\(\PageIndex{1}\)：比较火星和地球上的水量
估计火星上的水量（以冰的形式）并将其与地球上的水量进行比较很有趣。 在每种情况下，我们可以通过将球体的面积 (\(4 \pi R^2\)) 乘以层的厚度来得出球体上层的总体积。 对于地球来说，海水相当于分布在整个星球上3千米厚的层，地球的半径为6.378×10 6 m（见附录F）。 对于火星来说，我们确信的大部分水都是两极附近的冰的形式。 我们可以计算出其中一个残余极帽中的冰量（例如）2 km 厚度且半径为 400 km（圆的面积为\(\pi R^2\)）。
解决方案
因此，地球水的体积就是面积\(4 \pi R^2\)
\[ 4 \pi \left( 6.378 \times 10^6 \text{ m} \right)^2=5.1 \times 10^{14} \text{ m}2 \nonumer\]
乘以 3000 米的厚度:
\[ 5.1 \times 10^{14} \text{ m}^2 \times 3000 \text{ m} = 1.5 \times 10^{18} \text{ m}^3 \nonumber\]
这会产生 1.5×10 18 m 3 的水。 由于水的密度为每立方米 1 吨（1000 kg/m 3），我们可以计算出质量：
\[1.5 \times 10^{18} \text{ m}^3 \times 1 \text{ ton/m}^3 = 1.5 \times 10^{18} \text{ tons} \nonumber\]
对于火星来说，冰层不会覆盖整个地球，只能覆盖盖帽；极地盖面积是
\[ \pi R^2= \pi \left( 4 \times 10^5 \text{ m} \right)^2 = 5 \times 10^{11} \text{ m}^2 \nonumber\]
（请注意，我们将千米转换为米。）
体积 = 面积 × 高度，所以我们有：
\[ \left( 2 \times 10^3 \text{ m} \right) \left( 5 \times 10^{11} \text{ m}^2 \right) = 1 \times 10^{15} \text{ m}^3=10^{15} \text{ m}^3 \nonumber\]
因此，质量为：
\[10^{15} \text{ m}^3 \times 1 \text{ ton/m}^3=10^{15} \text{ tons} \nonumber\]
这大约是地球海洋的0.1％。
练习\(\PageIndex{1}\)
更好的比较方法可能是将火星极地冰盖中的冰量与地球上格陵兰岛冰盖中的冰量进行比较，后者估计为2.85×10 15 m 3。 这与火星上的冰相比如何？
- 回答
-
格陵兰岛冰盖的冰量大约是火星极地冰盖的2.85倍。 它们与最接近的 10 次方差不多。
火星上的海峡和沟渠
尽管今天火星上没有液态水体，但有证据表明，河流很久以前就在红色星球上流过。 两种地质特征似乎是古代水道的残余物，而第三类——较小的沟渠——表明即使在今天，液态水也会间歇性地爆发。 我们将依次研究其中的每一个功能。
在高原赤道平原上，有许多小而弯曲（曲折）的通道，通常深几米，宽约几十米，可能长 10 或 20 千米（图\(\PageIndex{4}\)）。 它们之所以被称为径流通道，是因为它们看起来像地质学家对古代暴雨的地表径流所期望的那样。 这些径流通道似乎告诉我们，地球很久以前的气候截然不同。 为了估计这些频道的使用年限，我们来看一下火山口的记录。 火山口数量表明，地球的这一部分比月球玛丽亚更火山口，但火山口比月球高地少。 因此，径流通道可能比月球玛丽亚还要古老，大概有40亿年的历史。
我们看到的第二组与水相关的特征是流出通道（图\(\PageIndex{4}\)）比径流通道大得多。 其中最大的流入探路者降落的克莱斯盆地的宽度为10公里或以上，长达数百公里。 这些流出通道的许多特征使地质学家相信，它们是由大量的自来水雕刻而成的，普通降雨无法产生。 火星上这样的洪水可能来自哪里？
据我们所知，流出通道的起源区域含有大量冻土冻结在土壤中的水，如永久冻土。 当地的一些热源肯定已经释放了这些水，导致了一段快速而灾难性的洪水时期。 也许这种加热与火星上火山平原的形成有关，火山平原的历史与流出通道大致相同。
请注意，径流通道和流出通道的宽度都不够宽，无法从地球上看见，它们也不沿直线行驶。 它们不可能是珀西瓦尔·洛厄尔想象中的在红色星球上看到的 “运河”。
第三种类型的水景是较小的沟渠，是由火星全球测量师发现的（图\(\PageIndex{5}\)）。 Mars Global Surveyor 的摄像头图像达到了几米的分辨率，足以在地面上看到像卡车或公共汽车这样小的东西。 在高纬度山谷和火山口的陡峭墙壁上，有许多侵蚀特征，看起来像流水雕刻的沟渠。 这些沟渠还很年轻：不仅没有叠加的撞击坑，而且在某些情况下，沟渠似乎穿过了最近被风沉积的沙丘。 也许地下有液态水偶尔会爆发，在水冻结或蒸发之前产生短暂的地表流。
沟渠还具有随火星季节定期变化的显著特性。 许多深色条纹（在图中可见\(\PageIndex{5}\)）会在几天内拉长，这表明有东西正在下坡流动，要么是水沉积物，要么是深色沉积物。 如果是水，则需要持续的水源，要么来自大气层，要么来自利用地下水层（含水层）的泉水。 地下水将是最令人兴奋的可能性，但这种解释似乎与以下事实不一致：许多深色条纹始于火山口墙的高海拔。
2015 年，在获得暗条纹的光谱时，还发现了其他证据，表明暗条纹（科学家称之为反复出现的斜率线）是由水引起的（图\(\PageIndex{6}\)）。 结果表明存在由咸水蒸发产生的水合盐。 如果水是咸的，它可能会保持液态足够长的时间，以便在蒸发或浸入地下之前向下游流过一百米或更长的距离。 但是，这一发现仍未确定最终的水源。
古老的湖泊和冰川
在火星表面运行的漫游者（Sp i rit、O pp ortunity 和 Curiosity）已被用来寻找更多的水证据。 他们无法到达最有趣的地点，例如位于陡坡上的沟渠。 相反，他们探索了可能是干燥的湖床的地点，其历史可以追溯到火星气候变暖、大气层更厚的时代，这使得地表上的水变成了液体。
Sp irit 的特别目标是探索古塞夫火山口中看起来像古老的湖床，流出通道正在排入其中。 但是，当航天器着陆时，它发现以前的湖床被稀薄的熔岩流覆盖，使漫游者无法进入它希望找到的沉积岩。 但是，机会运气更好。 它凝视着一个小火山口的墙壁，发现了分层沉积岩。 这些岩石含有蒸发的化学证据，表明那个地方有一个浅咸湖。 这些沉积岩中还有富含矿物赤铁矿的小球体，赤铁矿仅在水环境中形成。 显然，这个非常大的盆地曾经在水下。
这些小球形岩石被科学小组昵称为 “蓝莓”，美国宇航局在这份有趣的新闻稿中宣布发现了整个 “浆果碗”。
好奇号探测器降落在大风火山口内，从轨道上拍摄的照片也暗示了过去的水蚀情况。 它发现了许多沉积岩，其中一些是来自古老湖床的泥岩形式；它还发现了沉积物形成时浅水作用形成的岩石的迹象（图\(\PageIndex{7}\)）。
即使在今天，仍有证据表明火星表面以下有大量冰。 在中纬度地区，来自轨道的高分辨率照片显示冰川被泥土和灰尘覆盖。 在一些悬崖上，可以直接观察到冰（见图\(\PageIndex{7}\)）。 人们认为这些冰川是在温暖时期形成的，那时大气压力更大，冰雪可能会沉淀。 他们还提出了现成的冰冻水，可以支持人类将来对地球的探索。
天文学和伪科学：“火星上的脸”
人们喜欢人脸。 我们人类在识别人和解释面部表情方面已经培养了出色的技能。 我们还倾向于在许多自然构造中看到面孔，从云层到月球中的人。 维京轨道飞行器对火星的全球测绘所产生的好奇心之一是在赛多尼亚地区发现了一个形状奇怪的台面，类似于人脸。 尽管后来有传言称有人掩盖，但 “火星上的脸” 实际上得到了维京科学家的认可，并包含在早期的任务新闻稿中。 在获得维京图像的低分辨率和倾斜照明下，一英里宽的台面看起来有点像狮身人面像。
不幸的是，一小群人认为这个地层是由数十万年前在火星上蓬勃发展的古代文明放置在火星上的人脸人造雕刻雕塑。 一群 “真正的信徒” 在脸上长大，试图推断出创造这件事的 “雕塑家” 的本质。 该小组还将面孔与各种其他伪科学现象联系起来，例如麦田怪圈（谷田中的图案，主要在英国，现在已知是恶作剧者的所作所为）。
该组织的成员指责美国宇航局掩盖了火星上智慧生命的证据，他们在宣传小报媒体的观点方面得到了很多帮助。 一些信徒在 “火星观察者” 号航天器失灵时对喷气推进实验室进行了纠察，散布了关于火星观察者的 “失败” 本身就是假的，其真正（秘密）任务是拍摄脸部的故事。
高分辨率火星观察家相机（MOC）在火星全球测量师任务中重飞，该任务于 1997 年抵达火星。 1998年4月5日，在Orbit 220中，MOC以每像素4米的分辨率获得了人脸的倾斜图像，与维京图像相比，分辨率提高了10倍。 2001 年的另一张图像的分辨率甚至更高。 美国宇航局立即发布的新图像显示，一座低矮的台面状山丘被几个大致线性的山脊和凹陷横穿交叉，在1976年的照片中，这些山脊和凹陷被误认为是脸的眼睛和嘴巴。 只有充分的想象力，才能在新图像中看到与人脸的任何相似之处，这表明随着分辨率的显著提高，我们对地质学的解释会发生多大的变化。 原始图像和更高分辨率的图像可以在图中看到\(\PageIndex{8}\)。
在推广伪科学解释和各种阴谋论20年之后，“面对火星” 的信徒现在能接受现实吗？ 不幸的是，事实并非如此。 他们指责美国宇航局伪造了这张新照片。 他们还认为，《火星观察家》的秘密任务包括一枚用来摧毁脸部的核弹，然后火星全球测量师才能更详细地拍下脸部。
太空科学家发现这些建议令人难以置信。 美国宇航局正在花费越来越多的资金来研究宇宙中的生命，而当前和即将进行的火星任务的一个主要目标是寻找火星上过去微生物生命的证据。 外星生命的确凿证据将是科学的伟大发现之一，顺便说一句，很可能会增加对NASA的资助。 美国宇航局或其他政府机构会（或可能）阴谋压制这种可喜证据的想法确实很奇怪。
唉，“Face on Mars” 的故事只是一系列阴谋论的一个例子，这些阴谋论是由忠实的信徒、外出赚钱的人以及不负责任的媒体关注向公众公开的。 其他包括空军在秘密基地有外星人尸体的 “都市传说”、广为流传的关于不明飞行物在新墨西哥州罗斯威尔附近坠毁的报道（实际上这是一个携带科学仪器的气球来寻找苏联核试验的证据），或者外星人的观念宇航员帮助建造了埃及金字塔和许多其他古迹，因为我们的祖先太愚蠢了，无法单独建造。
为了应对这些 “虚构科幻” 思想的宣传越来越多，一群科学家、教育工作者、学者和魔术师（他们在看到一个好骗局时就知道一个好骗局）组成了怀疑调查委员会。 你的书有两位原作者活跃在委员会中。 有关其深入研究超自然现象主张的合理解释工作的更多信息，请查看他们的精彩杂志《怀疑问询者》，或访问他们的网站 www.csicop.org/。
火星上的气候变化
迄今为止讨论的关于火星上古代河流和水湖的证据表明，数十亿年前，火星的温度肯定比今天更高，大气层肯定比今天更坚固。 但是，什么能如此剧烈地改变火星的气候呢？
我们假设，像地球和金星一样，由于温室效应，火星的形成可能具有更高的表面温度。 但是火星是一颗较小的行星，其较低的重力意味着大气中的气体比从地球和金星更容易逃脱。 随着越来越多的大气层逃入太空，地表温度逐渐下降。
最终，火星变得如此寒冷，以至于大部分水冻结了大气层，进一步降低了其保温能力。 这个星球经历了某种失控的冰箱效应，这与金星上发生的失控温室效应恰恰相反。 这种大气层的流失可能发生在火星形成后不到十亿年内。 结果是我们今天看到的寒冷干燥的火星。
但是，火星表面以下几米处的条件可能大不相同。 在那里，液态水（尤其是咸水）可能会持续存在，由火星的内部热量或固体和岩石的隔热层保持温暖。 即使在表面上，也可能有办法暂时改变火星大气层。
火星可能会经历长期的气候周期，这可能是由地球轨道变化和倾斜度引起的。 有时，一个或两个极帽可能会融化，向大气中释放出大量的水蒸气。 也许彗星偶尔撞击可能会产生临时的大气层，其厚度足以让液态水在地表停留数周或数月。 有人甚至提出，未来的技术可能使我们能够对火星进行地形改造，也就是说，以可能使地球更适合人类长期居住的方式设计火星的大气和气候。
在火星上寻找生命
如果过去火星上有自来水，也许还有生命。 今天，生命能否以某种形式留在火星的土地上？ 测试这种可能性，尽管不太可能，但却是1976年维京着陆器的主要目标之一。 这些着陆器携带微型生物实验室来测试火星土壤中的微生物。 火星土壤被航天器的长臂挖出，放入实验室，在那里将其分离出来，与各种气体、放射性同位素和营养物质接触后进行孵化，看看会发生什么。 这些实验寻找活体动物呼吸、吸收向可能存在的生物提供的养分以及出于任何原因在土壤和周围环境之间交换气体的证据。 第四台仪器将土壤粉碎并仔细分析，以确定其中含有哪些有机（含碳）物质。
维京实验非常敏感，如果其中一艘航天器降落在地球上的任何地方（南极洲可能除外），它很容易探测到生命。 但是，令许多科学家和公众失望的是，火星上没有发现任何生命。 土壤吸收养分和气体交换测试确实显示出一些活性，但这很可能是由化学反应引起的，化学反应始于向土壤中添加水，与生命无关。 实际上，这些实验表明，火星土壤的化学活性似乎比陆地土壤高得多，因为它暴露于太阳紫外线辐射（因为火星没有臭氧层）。
有机化学实验没有发现任何有机物质的痕迹，这种紫外线的杀菌作用显然在火星表面破坏了这些物质。 尽管地表生命的可能性尚未消除，但大多数专家认为它可以忽略不计。 尽管火星是太阳系中所有行星中最像地球的环境，但可悲的事实是，今天似乎没有人住在家，至少在地表上是如此。
但是，没有理由认为生命不可能在大约40亿年前在火星上开始，同时也是在地球上开始的。 当时这两颗行星的表面条件非常相似。 因此，科学家的注意力已转移到在火星上寻找化石生命上。 未来航天器要解决的主要问题之一是火星是否曾经支持过自己的生命形式，如果是的话，这种火星生命与我们自己星球上的生命相比如何。 未来的任务将包括归还从沉积岩中选出的火星样本，这些样本曾经有水，因此可能是古代生物。 因此，对火星生命（过去或现在）的最有力的搜索将在我们在地球上的实验室中进行。
行星保护
当科学家开始在另一个星球上寻找生命时，他们必须确保我们不会用来自地球的生命污染另一个世界。 在火星上探索航天器之初，一项国际协议规定，必须对所有着陆器进行仔细消毒，以免意外将陆地微生物移植到火星。 就维京人而言，我们知道绝育是成功的。 维京人未能探测到火星生物也意味着这些实验没有检测到搭便车的陆地微生物。
随着我们对火星表面恶劣条件的了解越来越多，消毒要求有所放松。 显然，由于火星表面温度低、缺水和强烈的紫外线辐射，任何陆地微生物都无法在火星表面生长。 来自地球的微生物可能在休眠的干燥状态下存活，但它们无法在火星上生长和增殖。
但是，随着我们开始在地表以下寻找生命，污染火星的问题将变得更加严重，那里的温度更高，没有紫外线穿透。 如果我们考虑人类飞往火星的航班，情况将更加艰巨。 任何人类都会携带大量各种陆地微生物，如果火星有本土生命，很难想象我们如何有效地使这两个生物圈相互隔离。 也许最好的情况可能是两种生命形式差异如此之大，以至于每种生命形式实际上都看不见——在化学层面上不被认为是活的或潜在的食物。
公众最直接关注的问题不是火星的污染，而是与将火星样本送回地球相关的任何危险。 美国宇航局致力于对返回的样本进行完全的生物分离，直到它们被证明是安全的。 尽管污染的几率极低，但安全总比后悔好。
很可能没有危险，即使火星上有生命，外星微生物在一些返回的样本中搭便车前往地球。 实际上，火星一直在以火星陨石的形式向地球发送样本。 由于其中一些微生物（如果有的话）可能在岩石家园内前往地球的旅程中幸存下来，因此我们可能已经多次接触火星微生物。 它们要么不与我们的地球生命相互作用，要么实际上我们的星球已经接种了这样的外星虫子。
多年来，火星比任何其他星球都更能激发科幻小说作家的灵感。 你可以在此类故事的在线主题索引中找到关于火星的科学上合理的故事。 如果你点击火星作为主题，你会发现许多太空科学家的故事，包括威廉·哈特曼、杰弗里·兰迪斯和卢德克·佩塞克。
关键概念和摘要
火星大气层的表面压力小于0.01巴，二氧化碳含量为95％。 它有尘云、水云和二氧化碳（干冰）云。 如今，液态水不可能出现在地表上，但是在高纬度地区存在地下永久冻土。 季节性极地冰盖由干冰组成；北部的残余冰盖是水冰，而南部的永久冰盖主要由覆盖二氧化碳冰的水冰组成。 过去气候截然不同的证据体现在水侵蚀特征中：径流通道和流出通道都是灾难性洪水造成的。 我们的漫游者在探索古老的湖床和沉积岩形成的地方时，发现了过去大量地表水的证据。 更令人兴奋的是，沟渠似乎显示出当今地表存在流动的咸水，暗示着近地表含水层。 1976年，维京登陆者寻找火星生命，结果不佳，但生命可能在很久以前就蓬勃发展了。 我们已经找到了火星上有水的证据，但是跟随水还没有使我们在那个星球上生命。