[作者更新于 06/12/13：上周宣布并发表了关于在火星极浅的地下发现当前液态水证据的结果，这对于行星科学家和天体生物学家来说是非常令人兴奋的消息。正如我在下面的文章中讨论的那样，来自最近的探测车和轨道飞行器任务的大量证据表明，在火星早期历史上存在液态水。水可能在表面和近地表持续存在了很长时间。然而，我指出仍然需要解决的关键问题之一是那个潮湿时期的持续时间。液态水在表面或地下能够稳定存在多久？如果时间很长，那么火星可能不仅是一个适合生命居住的地方，而且是一个生命可能蓬勃发展甚至随着环境条件变化而进化的地方。
迈克尔·马林和他的同事发现了沟壑，这些沟壑似乎在过去十年中曾有液态水流过。这进一步支持了水在火星表面或近地表长期稳定的观点——事实上，甚至可能持续了整个行星历史。这一发现的一个含义是，如果生命在早期类地球火星上扎根，那么水仍然稳定的地下区域可能是生命今天仍然可以存在的“绿洲”。
然而，关于这一发现及其影响，目前尚未有定论。还需要来自其他测量的证实，行星科学家和任务规划者正在争先恐后地利用目前在火星轨道上的许多其他仪器来瞄准这些小区域。（不幸的是，这些沟壑地点距离火星探测车“勇气号”和“机遇号”太远，无法到达。）尽管如此，今天火星表面如此接近液态水的令人兴奋的可能性再次激发了火星和天体生物学界的热情，进一步推动了对红色星球潮湿的过去——以及现在！——的持续研究。]
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到 2005 年 2 月，名为“勇气号”的火星探测漫游车已经在盖尔陨石坑中度过了一年多的时间，盖尔陨石坑是红色星球表面一个两公里深、康涅狄格州大小的洞。由于盖尔陨石坑位于一条比大峡谷还长的古老干涸河谷的尽头，因此我们探测车任务团队的许多人曾预计“勇气号”会发现陨石坑数十亿年前曾充满水的证据。然而，在探测器着陆的平坦平原上，探测车既没有发现湖泊沉积物，也没有发现水曾经在盖尔陨石坑内流动的其他保存下来的迹象。探测车拍摄的照片只显示了尘土、沙子和干燥如骨的火山熔岩。
但当“勇气号”到达哥伦比亚山丘的山坡时，一切都发生了变化，距离着陆点约 2.6 公里。（每座山丘都以 2003 年哥伦比亚号航天飞机灾难中遇难的七名宇航员之一的名字命名。）当“勇气号”努力攀登丈夫山的西坡时，它的轮子松动了岩石，并在火星土壤中挖出了深深的轨迹。在一片特别湿滑的土壤区域，一个被称为帕索罗布尔斯的地方，轮子意外地揭露出了一些奇特的白色沉积物，这些沉积物与我们在盖尔陨石坑中以前见过的任何东西都不同。实际上，“勇气号”在任务团队注意到帕索罗布尔斯土壤之前就已经开过了；当我们看到我们揭露的东西时，我们做了相当于猛踩刹车并掉头的事情。
经过进一步检查，我们确定这些沉积物是富含铁和镁的水合硫酸盐矿物，集中在尘土飞扬的表面之下。在地球上，这些类型的沉积物发现在咸水蒸发或地下水与火山气体或流体相互作用的地方。这两种过程也可能发生在火星上。（尽管科学家在盖尔陨石坑或火星其他任何地方都没有发现活火山，但火山喷发肯定发生在行星历史的早期。）无论哪种假设是正确的，我们都意识到这些埋藏的硫酸盐可能是盖尔陨石坑过去潮湿环境的遗迹。
“勇气号”的意外发现与“机遇号”探测车在火星另一侧的调查以及从轨道上拍摄行星表面照片的小型卫星舰队的发现相符。几十年来，科学家们一直认为火星一直是一个寒冷、干燥、不适宜居住的世界；偶尔洪水的迹象和某些水蚀变矿物被认为是异常现象，代表着发生在非常遥远的过去，即在红色星球 46 亿年前形成后不久的短暂偏差。但新的探测车、轨道和陨石研究描绘了一幅与许多人甚至在几年前想象的截然不同的图景。水显然在很长一段时间内覆盖了火星表面的大部分区域，当然是在行星历史的早期，或许也更近。其意义是深远的：如果类地球环境的时代频繁且持久，那么生命在火星上进化的可能性似乎就大得多。
流动景观
在 20 世纪 70 年代水手号和海盗号宇宙飞船拍摄的火星图像中，人们识别出了河流地貌——推测是由水形成的地质特征。这些地貌包括灾难性洪水冲刷出的巨大通道和大规模的河谷网络，这些网络在某种程度上让人想起地球上的河流排水系统。在过去的十年中，自 1997 年以来一直绕火星运行的火星全球勘测者号的图像揭示了在一些陨石坑和峡谷壁中形成的极小且看似年轻的沟壑的壮观例子。这些观测表明火星表面或地表下过去存在液态水，但不一定存在很长时间。例如，来自灾难性洪水的水可能仅在表面持续了几天或几周，然后冻结、渗回地下或蒸发。
此外，在海盗号轨道飞行器图像中显示的河流状山谷网络在高分辨率下观察时，与地球河流山谷的特征不同。火星山谷可能完全是由地下水流和地面侵蚀形成的——这个过程被称为潜蚀——而不是由水在表面流动形成的。在火星全球勘测者号图像中观察到的沟壑也可能是冰层下地下水渗漏或埋藏的积雪沉积物的结果。尽管这些特征是火星上有水的令人惊叹和引人注目的指标，但它们并不能确凿地证明红色星球曾经拥有一个更温暖、更潮湿、更像地球的环境，其中有持久的湖泊和河流。
然而，在过去的几年中，新的卫星图像提供了更有力的证据，证明稳定、类地球的环境在火星上持续了很长时间。最令人兴奋的发现之一是一类看起来像河流三角洲的特征。火星全球勘测者号拍摄到的最好和最大的例子是在一个山谷网络的尽头，该网络排入位于水手号峡谷系统东南区域的埃伯斯瓦尔德陨石坑。这个排水系统终止于一个 10 公里宽、分层、扇形的地貌，其特征是蜿蜒的山脊相互交叉并显示出不同程度的侵蚀。对于许多地质学家来说，这个特征具有三角洲的所有特征，三角洲是在一条携带沉积物的河流流入浅湖的末端形成的。
像密西西比河三角洲一样，埃伯斯瓦尔德扇形的结构表明，它生长并多次改变形状，最有可能对古代源头河流的流量变化做出反应。如果埃伯斯瓦尔德扇形实际上是一个古代河流三角洲沉积物，被后来的沉积物掩埋，并被最近的侵蚀挖掘出来，那么这意味着液态水持续地流过火星表面，侵蚀大量的沉积物并将它们向下游输送。轨道图像在火星的其他区域揭示了少数类似的扇形，但只有 5% 的行星表面以识别这些特征所需的分辨率拍摄了照片。进一步的轨道研究可能使研究人员能够检验河流三角洲假说，但为了确定水流持续多长时间才能形成扇形，科学家们需要准确测量地貌不同部分的绝对或相对年龄。从轨道上无法确定绝对年龄；相反，必须将这些区域的岩石样本送回地球进行详细分析，或者由未来的探测车进行放射性同位素定年。
来自火星奥德赛号和全球勘测者号轨道飞行器拍摄的高分辨率图像也提供了火星过去存在类地球气候的更多证据，这些图像显示了水手号峡谷系统高原和墙壁上的小规模山谷网络。与之前确定的似乎主要由地下水流形成的山谷网络不同，这些新发现的网络具有与其由降雨或融雪和地表径流形成相一致的特征。例如，这些网络以密集的、分支状的模式排列，山谷的长度和宽度从源头到出口逐渐增加。此外，源头位于山脊顶部，这表明景观是由降水和径流塑造的。事实上，这些地貌提供了迄今为止最好的证据，表明火星可能下过雨。
火星可能在行星历史的三分之一时间里拥有类地球气候。
一个更具推测性的可能性是，这些径流特征出现的时间相对较晚，可能是在火星形成后的 10 亿到 15 亿年。为了估算火星地貌的年龄，研究人员计算了该特征上的撞击坑数量——该区域经历的撞击越多，其年代就越久远。然而，这种定年方法存在许多不确定性；很难区分主要撞击坑和次要撞击坑以及火山破火山口，而且侵蚀已经破坏了某些区域撞击坑的证据。尽管如此，如果这些地表径流山谷确实被证明相对年轻，那么火星可能在行星历史的三分之一时间里拥有类地球气候，如果最终确定存在更年轻的山谷，那么时间可能会更长。
又一个支持火星上持续存在液态水的证据是在行星的许多地方观察到真正大量的侵蚀和沉积。研究人员根据新的轨道成像数据进行计算后确定，在行星历史的最初十亿年中，沉积物沉积和侵蚀的速率可能比现在的速率高约一百万倍。（风力侵蚀速率已在“勇气号”、“机遇号”和火星探路者号探测车的着陆点估算出来。）例如，被称为子午线平原的区域（“机遇号”正在其中运行的一百万平方公里区域）被广泛地侵蚀和布满凹坑的外观表明，大部分地形已被侵蚀剥离并输送到其他地方。没有人知道所有这些被侵蚀的沉积物最终去了哪里——这是火星研究中主要的未解之谜之一——但似乎清楚的是，仅靠风力不可能挖掘出如此多的物质。
在其他地方，例如一些陨石坑的底部以及水手号峡谷中一些峡谷和裂谷的底部和墙壁上，沉积和侵蚀的循环显然形成了巨大的堆叠，由数百层岩石组成，每层岩石厚度在 10 到 100 米之间。最引人注目的例子之一位于 170 公里宽的盖尔陨石坑内，该陨石坑的地板上有一个巨大的分层、侵蚀的沉积岩中央土墩。土墩中的层、通道和部分埋藏的撞击坑表明了漫长而复杂的侵蚀和沉积历史。然而，土墩最令人难以置信的特征是，它升起的高度几乎比盖尔陨石坑的边缘高出 1 公里。似乎陨石坑和周围区域完全被大量的沉积物掩埋，然后部分挖掘出来并再次掩埋，可能在很长一段时间内多次发生。自上次掩埋事件以来，沉积物一直在侵蚀，露出了陨石坑的底部，但中央土墩的磨损速度可能较慢，这解释了为什么它现在比陨石坑的边缘更高。
但是，什么过程能够输送埋葬盖尔陨石坑区域几乎所有东西所需的大量沉积物呢？科学家们认为流动的水提供了最好的解释。对地球上侵蚀和沉积速率的研究表明，风力可能在过去移动了部分火星沉积物（就像今天正在做的那样，尽管速度非常缓慢）。然而，没有可行的基于风力的情景可以解释在火星早期历史上反复发生的数百万立方公里物质跨越行星表面大部分区域的快速运输。然而，流动的水通常在地球上移动大量的沉积物，并且也可能在红色星球上这样做。
粘土、球果和波浪
除了仔细检查火星地貌的形状外，科学家们还在行星矿物成分中寻找液态水的迹象。研究人员长期以来一直认为火星从未经历过漫长而温暖潮湿气候的原因之一是，大部分未被风沙覆盖的表面似乎是由大部分未风化的物质组成的——原始的火山矿物，如橄榄石和辉石。有人认为，如果水在表面流动了很长时间，它就会化学蚀变和风化火山矿物，产生粘土或其他氧化、水合相（在晶体结构中掺入水分子或氢氧根离子的矿物）。
然而，事实证明，科学家们看得不够仔细。来自火星探测车的新高分辨率轨道测绘数据和近距离表面研究揭示了许多区域中粘土和其他水合矿物的大量沉积物。例如，欧洲航天局火星快车轨道飞行器上的 OMEGA 仪器——特别擅长探测由火山岩风化形成的矿物类型——在表面上最古老地形的无尘部分发现了粘土。根据这些区域中撞击坑的高数量，它们的年龄跨越了火星历史的最初十亿年的大部分或全部时间。粘土沉积物散布在整个行星上，在古老的火山表面和撞击坑密布的高地地区，其中一些地区显然是最近才被侵蚀暴露出来的。
新发现的粘土是层状硅酸盐——由二氧化硅片组成，水分子和氢氧根离子被困在片层之间的矿物。粘土具有人们期望从已在火星上发现的各种火山岩的水相关风化作用中获得的各种成分范围。尽管 OMEGA 迄今为止仅以高分辨率勘测了行星的一小部分，但这些矿物的发现是早期火星上存在漫长类地球环境时期的有力证据。
此外，研究人员还在一些火星陨石（被彗星或小行星撞击从红色星球喷射出来并最终落在地球上的岩石）中检测到了被水蚀变的矿物（粘土、水合氧化铁和碳酸盐）。科学家们假设水相关风化作用可能发生在地下，因为大多数陨石在被炸入太空之前是火星地壳的一部分，而不是最上层表面。而且由于一些陨石被认为来自火星地壳中相对年轻的部分，调查人员怀疑地下风化作用可能仍在继续。科学家们或许能够在正在进行和未来的火星任务中检验这一重要假设，或许可以通过寻找活跃泉水或热液活动的证据。更重要的是，新的着陆器、探测车或载人任务可以配备钻头来探索深层地下。
火星探测车的功绩为红色星球的气候谜题增添了最新的碎片。在帕索罗布尔斯发现的八个月前，“勇气号”刚刚开始攀登哥伦比亚山丘时，探测车用其矿物识别仪器检查了一块多节的岩石，并检测到赤铁矿，这是一种高度氧化的铁矿物，在地球上被水蚀变的土壤中很常见。几个月后，“勇气号”发现了层状硅酸盐和针铁矿的证据，针铁矿是一种没有水就无法形成的氧化铁矿物，并且在其晶体结构中保留了水衍生的氢氧根离子。哥伦比亚山丘似乎记录了火星上古老的水-岩相互作用历史，这在“勇气号”在其任务早期调查的年轻火山平原中并不明显。
当探测车登上丈夫山顶峰，最终沿着另一侧向下进入南方的盆地时，它遇到了更多类似帕索罗布尔斯的地下盐沉积物。不幸的是，我们无法充分研究最广泛的沉积物，因为随着季节进入探测车的第二个火星冬季，我们被迫将“勇气号”移到朝北的山坡上，以便探测车的太阳能电池板上有足够的阳光来维持机器运转。如果一切顺利，我们将在火星春天返回时将探测车送回盐沉积物。
与此同时，“机遇号”在子午线平原也取得了同样惊人的发现。在着陆后的几周内，探测车发现了古代沉积物，这些沉积物是广泛分层的、沉积露头岩石，这些岩石多孔、水合且含盐。从互补的轨道观测中，研究人员知道这些沉积物遍布整个区域。“机遇号”研究的分层露头表明，这些类型的沉积岩向下延伸数十米（或更多）到地下，表明液态水曾经在地面上存在了很长时间。“机遇号”的结果描绘了火星上水历史的不同部分。探测车发现的水合岩石主要含有富含硫的矿物，如黄钾铁矾，沉积露头岩石也富含氯和溴以及硫。所有这些元素在水溶液中都具有高度的流动性，这意味着这些沉积物是在咸味液态水蒸发后形成的。因此，这些露头可能见证了子午线平原的水池和小溪逐渐萎缩和干涸的时期。
随着水域变得酸性化，地质活动减弱，火星环境开始发生变化。
探测车在露头中发现的毫米大小的、含赤铁矿的球形颗粒（绰号“蓝莓”）也支持了火星上长期存在积水的假设。我们认为蓝莓是地质学家所说的结核，即当含铁或盐水蒸发时从水中沉淀出来的颗粒。如果过程足够缓慢且均匀，则生成的矿物颗粒呈球形生长。在地球上，一些结核生长到弹珠或乒乓球大小；在火星上看到的结核平均大小为两到三毫米，与滚珠轴承的大小相当。随着“机遇号”从其着陆点向南移动，它发现的蓝莓越来越小，这表明潮湿环境的持续时间或水的蒸发速率可能存在差异。
“机遇号”甚至拍摄到了一些露头岩石，这些岩石似乎保留了浅水中波浪的轨迹。这些“扇形交错层理组”是由波浪与沙质沉积物相互作用形成的，今年早些时候，当探测车向南穿过平原时，发现了这些组的最佳例子。
新兴范式
来自探测车的结果强调了硫的重要性，硫可能由于行星早期活跃的火山历史而在火星环境中积累。硫和含硫矿物可以溶于水，由此产生的溶液可能非常酸性。酸性水会破坏许多种类的矿物，特别是碳酸盐，并且还会抑制其他矿物的形成，如粘土。因此，火星上硫的积累可能解释了为什么科学家们尚未在表面发现任何碳酸盐，以及为什么粘土似乎只保存在最古老的地形中。OMEGA 仪器除了在子午线平原之外，还在火星的其他地点检测到了硫酸盐沉积物，但总的来说，这些区域似乎比含有粘土的区域更年轻。到目前为止，尚未发现硫酸盐和粘土同时存在。
新兴的范式是，火星拥有广阔的潮湿过去：水坑或池塘或湖泊或海洋（或所有这些）长期存在，并且暴露在必然更厚、更温暖的大气中。在火星历史的最初十亿年左右，红色星球是一个更像地球的地方，可能适合我们所知的生命的形成和进化。然而，随着硫的积累，水域变得酸性化，行星的地质活动减弱，火星环境开始发生变化。当酸雨（某种程度上）继续蚀变火山岩并分解可能早期形成的任何碳酸盐时，粘土让位于硫酸盐。随着时间的推移，大气层变得稀薄；也许当行星的磁场关闭时，它丢失到太空，或者可能被灾难性撞击吹走或以某种方式封存在地壳中。火星最终变成了我们今天认识到的寒冷、干旱的行星。这一系列事件将解释为什么在过去几十亿年中喷发到表面的任何火山岩仍然应该是未风化的和原始的。正是下面较旧的东西，偶然地被撞击或侵蚀或滑动的探测车暴露出来，掌握着行星过去的钥匙。
然而，火星的这种新观点尚未被普遍接受。关键问题仍然没有答案：埃伯斯瓦尔德三角洲的水流持续了多久——几十年还是几千年？从子午线平原和盖尔陨石坑等地方似乎被侵蚀掉的所有沉积物都在哪里？它们是被水还是风或其他东西侵蚀的？火星上粘土矿物的全球丰度是多少？它们是否曾经是行星地壳的主要组成部分？而且，最令人烦恼的是，在温暖、潮湿、富含二氧化碳的环境中应该形成的碳酸盐在哪里？但这些碳酸盐尚未在火星的任何地方观察到，甚至在已检测到粘土的较老地形中也没有观察到！酸性水可能已经破坏了大部分碳酸盐，但肯定不会全部破坏！
也许所有问题中最重要的问题是，生命是否曾在早期火星上形成，如果是，它是否能够在环境发生如此巨大的变化以适应当今气候的情况下进化？答案很大程度上取决于类地球环境持续了多久。我们手中拥有的图像或其他数据，尽管它们令人印象深刻，但都无法为我们提供关于温暖潮湿时代的持续时间的非常好的约束。我们根本不了解火星表面的年龄。事实上，最终可能证明不可能使用撞击坑的密度来确定一个经历了如此多次大规模掩埋和侵蚀事件的表面的绝对年龄甚至相对年龄。更好的方法是将火星样本带回地球进行精确的放射性同位素定年，或者在前往地表的任务中发送微型定年仪器。在那之前，轨道航天器将继续寻找关键的矿物沉积物，并确定未来着陆器和探测车的最佳地点，这些地点可能有一天会揭示红色星球潮湿时代的持续时间的无可辩驳的估计。过去十年在火星上的发现可能只是一个更令人兴奋的机器人乃至人类探索世纪的一小部分。