升华的火星海洋,毅力号登陆点「古耶泽罗湖」

2020年夏天是每26个月一度的火星探测季。这次的火星季特别令人兴奋,因为共有3艘太空船正在前往火星的途中!在期待新的探测器带给我们新发现的同时,就让本特辑充当导览员,为您解说火星探索背后的故事以及这颗红色行星的科学。

2021年二月,NASA的毅力号火星车就会登陆耶泽罗陨石坑(Jezero Crater)。选择此地登陆的最大原因,是有非常多的证据显示它曾经是个大湖[1]。在下面陨石坑的地形图中,可以看到陨石坑的左侧边缘有两个歪歪扭扭的渠道,水曾经从这边流入;陨石坑的右方则有另外一个渠道,古湖水可以从这边流到更低的地方。在左侧渠道进入陨石坑的地方,可以看到具有三角洲外型的地表特征,意味着古河流带来的沉积物应该还遗留在此。毅力号就是预计来到这边找寻生命曾经存在火星的证据。

图1:耶泽罗陨石坑的地形图。不同的颜色代表不同的高度,单位为公尺。粉红色椭圆区域为毅力号预计登陆的位置。(改自NASA/Tim Goudge原图)

虽然知道有古湖泊存在是件令人兴奋的事,但是能否找到生命的痕迹,还是得打一个大大的问号。这主要是因为我们对这个湖的出现时间还有持续时间都还不是很清楚。最新的研究指出三角洲最有可能是在35亿年前形成的,而且非常有可能还更老[2]。这样的话看起来是有些机会,因为在地球上的35亿年前,生命应该已经存在几亿年了。

然而,湖的持续时间是个大问题。35亿年前的火星气候早已非常寒冷,类似像耶泽罗这种大小的湖泊很容易就会结冰,然后冰会在几百年内升华跑光光[*] [3]。几百年的时间已经足够形成三角洲[4],但是能形成生命吗?没人知道。当然,如果在很长的一段时间内有源源不绝的水供应到湖泊的话就另当别论,不过更进一步的线索就得仰赖毅力号的任务了。

*作者注解:如同水会蒸发一样,在空气干燥时,地表的雪或是冰可以不用先变成液态就转变成气态消散在大气中。雪或冰的升华在地球上的寒冷区域时常发生,也是为什么在零下的温度中晒一件结冰的衣服仍然会干的原因。

30~35亿年前的火星海洋?

慢着,或许你会觉得本来应该就要有「源源不绝的水」供应到湖内才对,因为地球上的湖不都是这个样子的吗?

问题还是出在火星当时的气候。在那么低的温度下,水分子无法透过降雨或降雪重新回到湖泊,只会被冰封在高海拔地区。也就是说,火星上的湖泊形成后,就是无止尽的蒸发或升华,并不能像地球一样靠降雨来补充水量[3]。有趣的是,类似耶泽罗的古湖泊、河道遗迹在火星上有不少,而且年代都推测在30~35亿年前[5]。在火星的北方低地,甚至还有出现被解读为海啸的地形特征[6]。对于「水从哪里来」这个问题,到目前为止最合理的解释是:火星冰封的表面被什么东西打破或熔化了,然后埋藏在下面的地下水就流出来[3][5]。据估计,在这五亿年内流出的水量大概可以让火星变成水深40公尺的海洋星球[5]。问题是这些水可以在表面待多久?是一次性释放这么多,还是在五亿年间透过间歇性的事件(如陨石撞击)分段释放?这些目前都缺少证据来妥善回答,因此到底是不是有(可以存活很久的)海洋或湖泊存在于这个时间点,目前还是炙手可热的议题。

40多亿年前的火星海洋?

不过,「古耶泽罗湖」还有一种可能性,就是它比现在推测的年龄下限还要老得多。如果超过40亿年,那就会跟另外一个火星可能有海洋的时期互相吻合。在40亿年前,火星非常有可能有着温暖(大于0度C,XD)潮湿的气候与大型的海洋。相关的水文作用产生了许多地形上的证据,而且今天仍然可以观测到,例如:大型峡谷系统、古海岸线等等。虽然这些证据存在许多问题(像是古海岸线的高度不一致等等),但这个时期的火星表面如果有液态水海洋,它的存在时间就可以长得多,并且可能为生命的诞生提供更多的机会。

图2:40多亿年前,火星的北半球可能是一片汪洋,平均深度可能超过100公尺。这些水现在大都已经逸散到太空中,剩下的则是被冰封在火星的表面之下。(NASA/GSFC)

耶泽罗陨石坑本身也有可能在这两次「火星海洋」出现的期间内被多次填满[7],这倒是让古耶泽罗湖沉积物中出现生命的机会高了许多。毅力号的造访,将可以查明耶泽罗陨石坑过去的地质历史,也很有可能可以让我们了解到火星过去的湖泊、海洋到底存在多长的时间。你相信火星过去真的两度出现过海洋吗?我们还可以从数十亿年的地层之中找到被隐没的真相吗?

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