圖源|愛給網

制圖|俠客君

火星是什么樣的？作為太陽系中地球的“孿生兄弟”，人類總是對它充滿了遙遠的想象。

火星、月球、地球之間的大小關系

圖源：網絡

它是地球的近鄰，與地球有著類似的巖石表面和內部結構，屬于‘類地行星’家族一員。并且它們的南北極存在冰冠，形態類似地球極地。

它有著類似的晝夜周期，也有相對明顯的四季變化。過去火星還存在液態水，擁有適宜生命存在的條件。

太陽系行星圖

圖源：網絡

它像一面高懸的宇宙之鏡，映照出地球命運的另外一種可能。

01

火星探索簡史

人類對于火星的探索從未停止。

古代文明，如中國、埃及和巴比倫對火星進行了早期記錄。中國稱火星為“熒惑”，認為其運動關聯災異；羅馬神話中，火星對應的是戰神馬爾斯。

19世紀，望遠鏡發明后，意大利天文學家斯基帕雷利繪制首張火星地圖，提出“運河”假說，引發火星存在生命的猜測。

斯基亞帕雷利1877火星地圖

圖源：網絡

1960年，蘇聯發起首次火星探測，但均以失敗告終。1964年，美國“水手4號”成為首個成功飛掠火星的探測器，傳回21張地表照片，揭示火星荒涼、隕石坑密布的地貌。

1971年，“水手9號”太空探測器帶著人類的希望朝著火星飛去。經過半年多的航行，終于在1972年1月3日成功進入環繞火星軌道，此次航行，它為人類帶回來7000多張照片。

水手9號探測器

圖源自：NASA中文網

美國海盜1號（1976）成功著陸，并傳回地表全景圖。1990年代，美國“火星全球勘測者”軌道器開啟長期勘測，并繪制高清地圖。

2020年1月16日，火星勘測軌道器（MRO）拍攝到了火星上兩種類型的沙丘：新月形沙丘和線形沙丘。

圖源自：NASA中文網

自1997年美國“旅居者號”開啟火星移動探測時代，之后，NASA“勇氣號”、“好奇號”突破性發現水蝕痕跡與有機分子，證實了火星宜居性可能。

2021年5月15日，中國的祝融號火星探測車成功著陸火星烏托邦平原南部區域。它的目標是研究火星的地形地貌、土壤特性、水冰分布、氣候環境以及潛在的生命跡象，其科學發現將為人類深入了解火星提供了重要的數據支持。

02

火星演化簡史

——從“火世界”到“水世界”再到“永恒荒漠”

在對火星漫長的探索中，科學家們發現火星曾經也有過適宜生命存在的環境。它的地質時期，主要可以分為：前諾亞紀、諾亞紀、西方紀以及亞馬遜紀。

火星演化歷史

圖源：火星雅丹地貌研究進展_王江

熾熱的熔巖世界

約45億年前，火星剛從太陽星云中凝聚形成時，它的表面溫度極高，如同一個熾熱的熔巖世界。

火星上發現的火成巖

圖源：網絡

那時，火星擁有厚實的大氣層，主要由二氧化碳和水蒸氣組成，密度可能是地球的數倍，這為早期溫室效應創造了條件，使液態水得以存在。

這顆年輕的紅色星球上可能遍布著火山噴發、熔巖流動和水汽蒸騰的景象——它正處在“嬰兒期”，像一個充滿活力的嬰兒，有著孕育著生命的潛力。

行星內部的熱流如同一個永不熄滅的熔爐，驅動著大規模火山噴發。

奧林帕斯山像是火星表面的一個巨大膿包

圖源：網絡

火山噴發不僅塑造了地形，還釋放出大量氣體和水蒸氣，為當時的溫暖氣候“添磚加瓦”，可能支撐了早期液態水湖泊的形成。

水塑造的“濕潤星球”

諾亞紀（35-40億年前）的火星，絕非今日的紅色荒漠。火山釋放的溫室氣體包裹著整個星球，溫度維持在冰點以上，使液態水得以自由流淌——北半球的低地匯聚成廣闊的海洋。

火星36億年前的假想圖。藍色區域顯示了現已消失的Deuteronilus古海洋和海岸線。

圖源：Robert Citron

火星上已經干涸的河道

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而隕石坑則蓄水為星羅棋布的湖泊；蜿蜒的河網從高地奔涌而下，刻出深邃的河道與三角洲。它擁有廣闊的海洋、星羅棋布的湖泊以及奔騰的河流，是一個由水塑造的、充滿活力的“藍綠星球”。

洪水與冰凍轉折期

約35億年前，隨著諾亞紀的落幕，火星進入了赫斯佩里安紀。一場突如其來的“大凍結”首先拉開了序幕。火山噴發逐漸稀少，塔爾西斯高原的巨人們沉寂了下來，熾熱的熔巖不再肆意奔流。

火星表面1/4的湖泊是由洪水造成的。我們現在看到的火星地貌，多半是在長期的洪水泛濫下形成的

圖源：網絡

全球溫度持續下降，液態水無法再自由徜徉于地表，而是被鎖入地下永久凍土層或極地冰冠，表面覆蓋著荒蕪的紅色塵土。

此時，火星上演了太陽系最壯觀的“冰火交響曲”。火山余熱的微弱輻射，或是隕石撞擊的劇烈震動，時不時便會觸發地下冰庫的瞬間融化，導致一場場突如其來的大洪水瞬間爆發，數以億噸計的水流如狂龍出淵，從地底噴涌而出。

火星上的遠古河湖相沉積物

圖源：NASA中文網

我們常常喜歡對已經發生的歷史作出假設。假設火星一直是一個“濕潤的星球”，那我們今天有機會在火星上看到外星人嗎？

2023年時，毅力號火星車在火星杰澤羅撞擊坑等地檢測到多種有機分子，這些分子可能與水過程相關，暗示了生物源頭可能性。

然而，世界上并沒有那么多如果。

磁場消失，風沙統治

約20億年前，火星的命運迎來了一場無法逆轉的巨變。

全球氣候逐漸冷卻，磁場減弱導致大氣層大量流失，太陽風持續剝離氣體粒子，液態水難以存留，最終形成如今稀薄的二氧化碳環境。

NASA的毅力號火星車拍攝到了這張昵稱為“松林（Pinestand）”的拼接圖。科學家們認為，這里堆疊在一起的高大沉積層可能是由一條深而湍急的河流形成。（圖源：NASA中文網）

這使得地表極端干燥和寒冷，平均溫度低至-60°C，白天短暫升溫后，夜晚便驟降至-100°C的冰點深淵。液態水不復存在，取而代之的是永久凍土下的水冰和極地冰冠。

氣溫波動劇烈，日間可達20°C，但夜間驟降至-100°C以下，平均溫度約-60°C。稀薄的大氣缺乏有效隔熱，使地表暴露于高強度太陽輻射和宇宙射線中，同時引發頻繁的全球沙塵暴。

這樣的環境一直持續至今。就這樣，火星從一個可能孕育生命的“孿生兄弟”，變成了太陽系中最荒涼的“時間膠囊”——一座保存著45億年行星演化的巨大博物館。

03

揭秘火星地貌

隨著探測器數量越來越多，攝影儀器越來越精密，人類在火星上都發現了什么呢？

超級大峽谷

最初的探測器——“水手9號”最大的發現是火星上一條綿延超過4000公里的超級大峽谷，這幾乎是美國科羅拉多大峽谷的10倍，深度超過7000米。這條超級裂谷切割了火星幾乎1/4的周長。這個巨大的峽谷后來被以“水手9號”的名字，命名為“水手谷”（Valles Marineris）。

水手大峽谷，從空中俯瞰它像是一條巨大的疤痕

圖源自：NASA中文網

科學家們猜想，大約在35億年前，火星上的火山群劇烈噴發，地幔巖漿抬升導致周邊地殼拉伸斷裂。水手大峽谷在最初規模不大

后來經歷了地下水滲流、山體滑坡及遠古洪水進一步拓寬加深，最終形成了今天的巨大峽谷。

水手大峽谷的位置和高程圖

圖源自：NASA中文網

超級火山

奧林匹斯山，看起來像是突起的一塊膿包

圖源：NASA

火星超級火山的形成，核心在于火星缺乏板塊構造系統。地球有移動的板塊，火山熱點就會隨著板塊漂移而改變位置，海洋中火山島鏈的形成就是由于這個原理。

但是火星的地殼是“靜態”的——它像一塊固定的大石板，沒有板塊運動。這就意味著，一旦地幔中的熱點形成，就會在同一個位置持續噴發數十億年，不會發生遷移。

奧林匹斯山

圖源自：NASA中文網

此外，火星的重力僅為地球的38%，低重力環境使得熔巖能流動得更遠，而不是像地球那樣快速堆積成陡峭山峰。這些條件結合火星早期的活躍火山活動，為超級火山的誕生提供了溫床。

這種持續噴發從約37億年前開始，最近一次小規模活動發生在約200萬年前。相較于地球最活躍的夏威夷火山，奧林匹斯山在漫長地質年代中堆積到22公里的驚人高度，相當于珠穆朗瑪峰的三倍左右。

奧林匹斯山的高程和位置圖

圖源自：NASA中文網

極地冰冠與干冰地貌

火星與地球相似，南北極也有白色的冰冠。除了水冰以外，干冰（固態CO?）在火星極地的升華與凝結，塑造了太陽系獨一無二的地貌。

火星地表的干冰

圖源：NASA中文網

北極冰冠：直徑約1000公里，最厚處達3公里，主要由水冰構成，儲量約160萬立方千米，相當于覆蓋整個火星表面1.2米深。其表面覆蓋一層薄薄的季節性干冰，厚度不足1米。冰冠邊緣呈層狀結構，如同樹木年輪，記錄著火星數十萬年的氣候波動。

火星北極冰蓋

圖源：NASA中文網

南極冰冠：直徑約350公里，但季節性變化更劇烈。其核心是永久性干冰蓋，厚度可達8米，下方隱藏水冰。冬季時，干冰層擴展至緯度60°區域，夏季則退縮至極圈內，形成獨特的“瑞士奶酪”地貌。

春天最令人著迷的現象之一是火星北極的巨大冰蓋，其面積如同德克薩斯州一般大。在冰蓋的表面，雕刻出旋轉的溝槽，露出了下面紅色的火星表面。這種效果就像在拿鐵咖啡中攪拌的牛奶。

火星南極冰蓋

圖源：NASA中文網

春季，陽光透過冰層照射，底部冰層轉化為氣體，壓力不斷增加，升華的CO?氣體裹挾沙粒噴射至80米高空，形成間歇性噴泉，同時引發局部塵暴，形成這些暗色扇形物質。這類現象僅在火星極地可見，是理解火星大氣動力學的天然實驗室。

冰層底部的氣體通過冰層的薄弱點噴涌而出

形成間歇泉般的氣體噴發

圖源：NASA中文網

在北半球的某些間歇泉周圍的所有冰層在夏季升華后，泥土中會留下類似巨大蜘蛛腿的痕跡，使干冰底部升華成高壓氣體。氣體沖破冰殼時，撕裂出放射狀裂縫（寬數米至數十米），從空中看宛如巨型蜘蛛。

在火星上，到了春夏，干冰會從固態變成氣態，并導致表面受到侵蝕，只留下刻在表面的類似蜘蛛一樣的通道。

圖源：NASA中文網

干冰會從固態變成氣態后留下的”蜘蛛腿“

圖源：NASA中文網

火星雅丹

在火星表面的梅杜莎溝槽組（MFF）區域內，雅丹地貌分布廣泛，常常成為行星科學家和地質學家討論的話題。

梅杜莎溝槽組的雅丹地貌

圖源自：NASA中文網

雅丹地貌也稱為“白龍堆”或“龍堆”。上個世紀，來自國外的探險家斯文赫定在羅布泊發現了它。當地的維吾爾族將這種地形稱作：“yardang”。在維吾爾語中有“高大的土丘”之意。之后，“雅丹”一詞隨著斯文赫定的出版物廣為流傳，名揚海外。

雅丹地貌

圖源自：愛給網

遠古的河湖底部沉積的泥沙是它形成的基礎。它分布于極端干旱區，風力作用是其主要外動力。強風通過風蝕對干燥松軟的湖相沉積地層進行侵蝕切割，形成一系列與盛行風向平行的壟脊和溝槽組合。

此外，間歇性暴雨引發的暫時性流水侵蝕以及鹽風化作用也是重要的輔助外動力，共同塑造了雅丹獨特的地表形態。

雅丹地貌的形成機制

圖源：火星表面雅丹地貌地質特征及古環境意義_王江

火星沒有間歇性流水或鹽風化輔助，因此其形態往往更尖銳、保存更完好。風蝕在火星上更為主導，直接雕刻出平行于盛行風向的壟脊和溝槽。因此，在火星的梅杜莎MMF槽溝區，雅丹地貌展示了更劇烈的侵蝕特征，這有助于科學家推測火星古氣候的干燥化和風力歷史。除此之外，火星雅丹高度從3.3m-366.9 m不等，平均值約為72.86 m。看上去要比地球上的雅丹地貌高得多。

火星沙丘

與地球相比，火星沙丘的地貌類型和形態明顯簡單許多。陜西師范大學行星風沙地貌學研究團隊的董治寶教授指出，“火星沙丘幾乎全部為簡單沙丘，未見復合沙丘或復雜沙丘。而在地球上的主要沙漠則均有相當面積的復合和復雜沙丘。"

而在地球上的主要沙漠則均有相當面積的復合和復雜沙丘。如塔克拉瑪干沙漠的復雜線形沙壟，巴丹吉林沙漠的復合橫向沙山，魯卜哈利沙漠的復合新月形沙山，和納米布沙漠的復合橫向沙山等。

新月形沙丘，顧名思義，形狀像一輪彎月。它常常出現在單向風主導的區域。當強風從一個方向吹來，它會推動沙子向前移動。

圖源自：網絡

雕刻北極溝槽的風會重新塑造火星的沙丘，使沙子堆積在一側，同時從另一側帶走沙子。隨著時間的推移，這一過程會導致沙丘像地球上的沙丘一樣逐漸遷移。（圖源自：NASA中文網）

其次，在地球上，由于植物的存在，很多沙漠或沙地發育固定沙丘和半固定沙丘，如毛烏素沙地、渾善達克沙地和澳大利亞的多個沙漠。所以，在地球上廣泛發育的灌叢沙丘和拋物線沙丘等沙丘地貌類型在火星上是不存在的。

除此之外，地球上的沙丘主要分布在副熱帶高壓控制下的低緯度地區和中緯度的溫帶干旱區，而兩極和高緯度地區風沙地貌極少。火星沙丘則主要分布在兩極和高緯度地區，中低緯度地區很少。

火星表面分布的新月形沙丘

圖源：火星表面雅丹地貌地質特征及古環境意義_王江

陜西師范大學行星風沙地貌學研究團隊的董治寶教授稱，地球沙漠可以稱之為“氣候控制型”。相反，火星寒冷干燥環境的歷史久遠，風沙地貌發育以及沙漠和沙地的分布受松散沉積物的豐富程度的控制，即有松散沉積物的地方就有風沙地貌發育，火星沙漠和沙地可以稱之為“沉積物控制型。”

紅色星球上的藍色沙丘

圖源：nasa中文網

紅色星球上的藍色沙丘

圖源：nasa中文網

美國航空航天局在火星上還發現過藍色的沙丘。對此，NASA未能做出解釋，他們只是認為沙子的結構和成分可能與周圍的沙子有所差異，但是它的誕生原因仍然是一個謎團。

由此來看，火星上人類尚未揭開的謎團還有很多。

04

去一次大西北，就近乎等于去一趟火星

由于技術原因，人類尚不能親臨外星球開展野外調查工作，對于外星球表面雅丹的研究主要還是依靠遙感影像和少量的就位探測數據。

研究火星地貌是如何誕生的，我們首先可以從研究地球上風沙地貌形成演化入手。在中國西部，從甘肅河西走廊到新疆柴達木盆地，人們對火星的遙遠幻想被迅速拉近成現實。

地球上的雅丹地貌

圖源：愛給網

火星地貌

視頻源：NASA中文網

地球的干旱區為科學家提供了活生生的實驗室。為了模擬火星表面不同環境，全球已經建立了多個相似性研究基地， 我國的首個火星模擬基地也建立在了柴達木盆地。

通過研究柴達木盆地中沙丘的遷移速率，地質學家得以反推火星風沙的動態歷史，推斷其低重力環境下的風沙活動強度。

數值模擬中不同風況作用下的沙丘形態特征，通過這些大大小小的“饅頭”穹狀沙丘，科學家可以推算出這個區域刮了什么風，吹了多少沙。（圖源：中科院之聲）

2018年，中國地質大學（武漢）行星科學研究所肖龍教授的團隊同德國明斯特大學開展了一項國際合作研究。

研究人員對柴達木盆地和火星表面MFF區域內雅丹地貌的形貌學與幾何學特征、形成演化過程進行了系統的綜合對比研究。結果表明它們具有相似的形貌學與幾何學特征。

柴達木盆地與MFF區域形成在雙向盛行風環境下的雅丹

圖源：火星表面雅丹地貌地質特征及古環境意義_王江

最深邃的探索始于最近的摹擬。人類對火星的進一步探索，或許正要從腳下的這片土地啟程。

本文創作團隊

撰文 | 俠客君

編輯 | 李馨宇

封面設計 | 俠客君

審稿 | 李忠東

部分圖源| NASA中文網 愛給網 豆包AI

參考文獻

火星表面雅丹地貌地質特征及古環境意義：

基于柴達木盆地與Aeolis-Zephyria地區的對比研究

火星雅丹地貌研究進展_王江

探索火星風沙地貌與地球沙漠的異同

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