火星小傳：紅色星球的前世今生

□ 劉 茜

大約50億年前，銀河系內的一團塵埃雲邁過了密度的臨界點，突然開始變化。原本極其緩慢的收縮變成了相對迅速的坍塌，大量的氣體向星雲中心凝聚，而密度更大的塵埃顆粒則被星雲的自轉安置到了自轉的赤道盤面上。太陽系的雛形得以形成：中心的大團氣體即將形成原始的太陽，而周圍環繞的物質組成了圓盤狀的結構，也就是「原行星盤」。

從宇宙的角度來看，這個過程發生得異常迅速，只用了「區區」一百萬年，和太陽一百億年的壽命相比只是微不足道的萬分之一，按人類壽命的比例折算的話，只相當於短短的三天。一場波瀾壯闊的史詩就此拉開序幕，同樣類型的史詩至今仍在宇宙的各個角落不斷上演，但這一幕對我們格外重要：地球和它的夥伴們，即將——在短短的一千萬年內——從同一團塵埃和氣體中誕生其雛形。形成時與太陽的距離決定了它們的物理特徵和化學組成，但接下來還有進一步的雕琢等待著它們。

圖1 40多億年前，彗星和小行星紛紛撞向新生的行星們。（NASA/JPL-Caltech）

這和我們所知道的地球年齡並不矛盾：在接下來的4億年里，行星們——特別是由岩石構成的那些——遭受著連綿不斷的小天體撞擊，不管是原始的地球還是原始的火星，其質量、大小和組成都尚未定型。不斷有新的星子、行星胚胎和彗星與其相撞並融為一體，讓行星不斷成長，並為行星帶來了絕大部分的水。我們所知的這類撞擊的最高潮是在大約45.2億年前，一顆推測與火星大小相似的天體撞上地球，在它與地球融為一體的同時，撞擊濺出的物質飛向太空，形成月球。稍稍在此之前，最古老的岩石從岩漿中冷卻結晶，真正意義上的地球得以形成。那是在46.7億年之前，而火星的形成和冷卻通常被認為更早於此。更小的質量暗示了更短暫的成長階段，有的天文學家認為火星可能從未像地球那樣與另一個足夠大的行星胚胎相融合，因而在短得多的時間內完成了成長；而一顆質量和體積相對較小的行星，冷卻起來自然也要快得多。木星的引力可能也影響了類地行星的形成速度：根據放射性元素的測定結果，距離木星最近的小行星形成最早，接下來是火星，然後才是地球。因此火星雖然質量較小，從年齡上看，卻不折不扣是地球的兄長。

圖2 剛剛誕生的火星是黑色的。不斷的小天體撞擊讓它保持熱度。（NASA/JPL-Caltech）

在誕生的初期，火星表面瀰漫著沸騰的岩漿海洋，深度可能達到幾百千米。加熱岩漿洋的是行星深處放射性元素的衰變和猛烈撞擊帶來的能量，這足以讓整顆星球達到高溫熔融狀態。與此同時，行星外層還包裹著與生俱來的原始大氣，那是在行星形成階段殘留的來自原行星盤的氣體，成分以氫和氦為主。這層大氣很快被新生太陽的狂暴星風撕裂和清除，和內太陽系的一切其他揮發性物質一起被驅逐到行星盤外。隨後的早期大氣來自岩漿活動，從行星內部噴出，主要成分是水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氯氣、氫氣、氮氣、氬氣和氨氣。毋庸置疑這是一層還原性的大氣，也是高效的溫室氣體，裹在熔融狀態的行星外，很快就能達到極高的溫度。這層高溫氣體向太空散發出強烈的紅外輻射，幫助行星表面快速冷卻下來。

隨著行星的冷卻，熔融的岩漿洋開始析出結晶，形成岩石。對不同的天體來說，由於物質組成的區別，在這個過程中會有各自不同的經歷。比如月球由於質量較小，在同樣深度的岩漿洋中壓力也比較小，導致岩漿黏度低，輕的礦物在析出之後向上浮到岩漿洋表面，最後就形成了大片由較輕的岩石構成的月陸。而火星的岩漿黏度大得多，在火星岩漿中析出的礦物則會向下沉積，堆積在岩漿岩底部。和地球岩漿最大的區別是，火星岩漿中鐵的含量更高。雖然構成火星岩漿洋的基本成分都是鐵鎂質硅酸鹽，但是隨著溫度的降低，先析出的是含鎂量較高、密度較小的礦物，後析出的是含鐵量較高、密度較大的礦物。這樣的後果是讓星幔「頭重腳輕」，重心嚴重不穩。於是在大約45.2億年前——正好是在月球形成的同時，火星發生了一次「內外翻轉」，原本位於星幔上層的物質沉到了底部，而原本位於底部的物質被推擠上升。這就像是你用力攪拌一鍋粘稠的糖漿，鍋里的物質會發生複雜的混合，不再有清晰的分層。同時，底部原本已經凝固的物質在上升的過程中壓力變小，因此熔點變低，重新變為熔融狀態——這個過程和地球上的火山爆發差不多，不同的是在當時的火星，這是一個遍及全球的事件。

圖3 火星表面的風蝕地形。（NASA/JPL-Caltech/University of Arizona）

大量的岩漿噴出火星表面，再次冷卻凝固，構成了火星星殼的組成部分。這比地球上最古老的成片陸地早整整1億年，並且有實物為證：著名的火星隕石ALH84001，就是曾經盛傳從其中發現了「火星細菌化石」的那一塊，同位素年齡測定給出的結晶年齡是45億年；而已發現的最古老的地球岩石位於澳大利亞西部，是一片鋯石晶體，年齡測定為44億年。這也是類地行星們在外觀上空前統一的時代：除了在大撞擊中被摧毀了整個岩石外層的水星之外，金星、地球和火星看上去都極其相似。金星並不是明亮的橙黃色，地球也沒有標誌性的藍色調，而火星，距離它獲得那層著名的紅色外衣，還有數億年的時間。它們此時全都是一個顏色：黑色。這是岩漿凝固後的岩石顏色。

圖4 40億年前的火星（NASA/GSFC）

早期的火星作為個頭較小的兄長，在演化道路上似乎一切都比地球先行一步：更早形成星核，更早分離出星幔，更早形成陸地。在40億年前，它的外表包裹著足夠濃密的大氣，在火山活動中湧出的水蒸氣形成大量降水落回行星表面，而液態的金屬核也為整顆行星提供了全球性的偶極子磁場，甚至在早期還可能經歷了一定程度的板塊運動。毋庸置疑它也比地球先一步達到了液態水能夠存在的溫度。現在科學家們相信，火星在40億年前曾經有過大片的海洋，這有大量的地質結構和礦物分布為證。通過比較地球上的火星隕石和勇氣號火星車探測的火星表面岩石，牛津大學的一些科學家甚至認為40億年前的火星曾經擁有過富氧的大氣——比地球早了整整15億年。當然，地球大氣中的氧來自生命的光合作用，而火星大氣中的氧則更可能來自行星內部：它在形成的時候，就比地球擁有更多的氧化物質。總之，假如有一名地質學家試圖搭乘時間機器穿越回遠古研究地球環境，卻不小心來到此時的火星，可能很難迅速察覺自己來到了錯誤的星球。

這個時期的火星，風華正茂，熱鬧非凡。它剛剛邁進其地質年代劃分的「諾亞紀」（41億～37億年前），一次巨大的撞擊在不久之前導致了它南北兩個半球截然不同的樣貌：北半球主要由低地平原構成，而南半球則廣布高地。撞擊坑的面積是亞洲、歐洲和大洋洲的總和，在覆蓋了厚達七八千米的沉積物之後，南北半球之間的平均海拔差仍然足有4千米，以至於當時的火星北半球幾乎全被海洋佔據。在與撞擊形成的希臘盆地相對的另一側，塔西斯高原產生巨大的隆起。未來這裡將會形成全太陽系最大的火山和火山群，並且火山活動將會持續將近40億年，直到兩億年前才會停止。這時也是火星上火山作用最劇烈的時期，單單是塔西斯高原上的巨大火山群，就足夠把整個火星表面淹沒在兩千米厚的岩漿下。

拋開劇烈的火山活動和它們噴出的有毒氣體不提，再忽略掉此時正處於太陽系「大轟擊時期」的尾聲，不斷有小天體撞擊到火星表面上之外，諾亞紀的火星環境空前絕後地溫和友好。遍布全球的液態水侵蝕著地表岩層，形成大量的沉積地層和黏土礦物，峽谷網路也在此時形成。40億年前的太陽比現在至少要暗15%，在火星的位置陽光將更為暗弱，但大氣層比現在濃密400倍，溫室效應足以保證星球表面的溫度。這是火星短暫的黃金期，足夠溫暖，足夠濕潤，表面有海洋、湖泊和河流。要知道，地球在達到同等條件之後沒多久就產生了最早的生命，而火星在這樣的情況下保持的時間，比地球用來誕生生命的時間要長好幾倍。

在諾亞紀的末段，發生了兩件改變火星命運的巨大轉折。第一個轉折是火星核「發動機」的停擺，讓火星在39億年前失去了自己的全球偶極子磁場。這個磁場曾經在太陽風的撕扯下保護著火星大氣，讓這顆行星能夠以較小的質量保留住足夠厚的大氣層。在磁場消失之後，太陽風剝離了火星大氣，宇宙射線和紫外線毫無遮擋地衝擊地表，然後水資源逃離到空間中和地表下，火星幾乎是在地球出現生命曙光的同時徹底告別了溫暖濕潤的面貌。磁場消失的具體原因還不清楚，但必然是由火星內部的熱對流變化影響導致的。第二個轉折也和火星內部的熱對流變化有關，那就是火山活動的減弱。曾經可能存在的板塊運動到此為止，火星將在未來的漫長時間裡越來越不活躍，變成一顆外表長期缺乏變化的行星。這也正是火星擁有太陽系內最大型火山的原因：在缺乏板塊運動的情況下，來自地幔的岩漿總是從同一個地方湧出行星表面，朝四周流淌並凝固，火山也就因此不斷長大，最終成為高度三倍於珠穆朗瑪峰、底盤面積足夠覆蓋一個雲南省的巨型盾狀火山。大約在1億年前，火星幾乎徹底停止了火山活動，奧林匹斯火山雖然在理論上還是一座活火山，但也已經有1億年沒有爆發過了。

圖5 火星南極極冠里的乾冰。（NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona）

圖6 2014年抵達火星的MAVEN號探測器證實，太陽是剝奪火星大氣的主要原因（GSFC/NASA）

不管是發動機的停擺，還是內部的冷卻，這都是由火星自身的較小質量決定的，太小的體量決定了其內部的熱量不足，無法像金星和地球那樣長期保持地質活躍。大氣的散逸和火山的平息共同導向一個結果，那就是火星開始大量丟失水。不光是大氣水和地表水，就連原本包含在星幔中的水，也因為缺乏板塊作用，無法達成物質循環而「有去無回」。在接下來的地質年代「西方紀」，典型的地形特徵已經不像是諾亞紀時那種明顯由超大洪水形成的溝渠，而是類似於地球上乾旱地區內陸河一樣的河床，地表的侵蝕率也大大降低，證明在行星表面流動的水已經大大減少。它們一部分散失到了空間中，另一部分可能由於溫度的降低而凍結到了地下。寒冷和乾燥總是並肩到來的——這就像地球的南極高原上覆蓋著巨大的冰川，但它仍然是地球上最乾燥的地區之一那樣。寒冷的原因是火星失去了太多的二氧化碳，這是它在演化上和地球分道揚鑣的一大標誌：地球曾經和火星一樣有著極其濃密的二氧化碳大氣，在植物大爆發的泥盆紀之前，地球大氣的二氧化碳含量是現在的18倍，但在溫暖潮濕的環境和大量植物的共同努力下，這些二氧化碳要麼形成碳酸鹽岩石，被固定到地表，要麼進入生物體，又隨著生物屍體的被掩埋被固定到化石燃料中——我們如今使用的煤、石油、天然氣，其中的碳就是幾億年前植物們從大氣中固定下來的。

碳元素在地殼、海洋和大氣間穩定循環，這是地球環境始終保持對生命友好的關鍵因素。火星則一開始就很難形成碳酸鹽，它在形成時離太陽更遠，化學組成里有太多的硫，大氣里二氧化硫的含量太高，優先與地面的岩石進行反應，所以現在火星表面到處能找到硫酸鹽礦物，碳酸鹽礦物則要少得多。等到溫暖濕潤的環境消失，也就來不及再把二氧化碳固定到地表，只能任由它要麼凍結到極冠里，要麼消散在太空中。星球表面新形成的礦物由黏土礦物變為蒸發岩，地表的風化也從有水參加的化學風化變為風蝕和搬運為主的物理風化。損失掉這層還原性大氣的另一個副作用，是火星表面的氧——不管是來自行星內部還是來自水的光解——迅速和富含鐵的地表岩石反應，讓火星變成了一顆紅色的星球。

圖7 奧林匹斯火山底部附近的熔岩流遺迹。（NASA/JPL-Caltech/University of Arizona）

從那之後直到今天，火星的外貌幾乎沒有大的改變。30億年如一日的寒冷、乾燥與荒蕪，也許有地下水網路在悄悄流動，在某些季節還有少量水湧出地表，但也僅此而已。火山活動倒是並沒有完全消失，遲至1億年前還有過火山活動，但當然早已不復諾亞紀時的盛況。不時有天外來客到訪，或者自家的地表遭到撞擊，向太空飛濺出碎屑，然後這些碎屑在行星際空間漫遊過不知多長時間之後落到另一顆星球上。實際上，這才是火星和地球間的主要物質交換方式：到現在為止，人類向火星發射的各種探測器，連墜毀在火星表面上的一起算上（不久之前，歐空局的斯基阿帕雷利號登陸艙剛剛不幸地宣告失敗墜毀）也才200噸左右分量，而在過去的40億年間，可能有5000萬塊一米級別的地球岩石被送到了火星上。這還是因為地球的質量更大、逃逸速度更大，同時朝向太陽系外側的飛行比朝向內側的飛行更難的緣故：從火星來到地球的岩石數量更大，過去40億年間可能有幾十億塊，即便到了現在，平均每年也有半噸。當然，將會續寫火星傳記的並不會是這些岩石，恐怕也不會是這顆行星本身的活動，而是地球人類未來的登火行動。作為在物理條件上和距離上都格外接近地球的天體，人類從來沒有放棄過把它作為第二棲息地的野心。未來對火星的探測、利用和改造，會在多大程度上改變這顆星球的面貌，我們不妨拭目以待。

圖8 根據地球情況模擬的火星上蓋爾隕石坑的沉積岩情況。左起：乾燥時期；融雪形成河流；後續乾燥時期河流消失，露出沉積岩。（NASA/JPL-Caltech）