本文來自公眾號(hào)：把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids），作者：沈夢溪，
人類觀測火星的歷史很久，在最早的時(shí)候人們主要靠肉眼觀察，因?yàn)榛鹦峭獗戆l(fā)紅，遠(yuǎn)看像火，而且僅靠肉眼觀測的話它的行蹤捉摸不透，因?yàn)楸恢袊湃朔Q為“熒惑”，有“熒熒火光，離離亂惑”的意思；再后來陰陽五行學(xué)說出現(xiàn)，火星也因其紅色而被稱為火星。直到現(xiàn)代的天文觀測手段發(fā)展出來，我們才知道火星原來并沒有火，而是一顆紅色的行星。
到了上個(gè)世紀(jì)美蘇太空爭霸，相繼發(fā)射了不少火星探測器，這些近距離觀察火星的探測器則不斷帶給我們顛覆性的消息，最初是發(fā)現(xiàn)了火星上類似于河網(wǎng)的地貌，然后通過化學(xué)手段、物理手段，以及火星登錄器實(shí)地考察，越來越多的證據(jù)實(shí)錘了火星上原本就存在大量的水，現(xiàn)在可能依然存在少量的水。
火星上的河口三角洲 圖/NASA
火星上河網(wǎng) 圖/NASA
這些信息無疑會(huì)讓我們深入一點(diǎn)去思考這些問題：火星上的水從哪里來？火星上的水又為什么會(huì)消失？
一、宇宙中本來就不缺水
關(guān)于水的故事，我們要從宇宙的形成開始說起。
現(xiàn)代理論中，宇宙形成于一次大爆炸 圖/wikimedia
在目前的宇宙和行星形成的理論中，宇宙大約于137億年前形成，那時(shí)候沒有各種行星和恒星，只有無數(shù)的電子和質(zhì)子。這些質(zhì)子和電子在出現(xiàn)以后很快結(jié)合，首先出現(xiàn)的是質(zhì)量較小的氫、氦、鋰、鈹?shù)仍?，這些小質(zhì)量的元素結(jié)合形成了第一代恒星，在恒星中這些輕的元素進(jìn)一步聚變形成了更重的元素，比如氫元素聚變形成氦，氦聚變形成碳、氧等元素，碳、氧聚變形成鈉鎂鋁硅之類的元素……
這個(gè)過程就好像我們玩過的一款手機(jī)游戲——2048：
化學(xué)元素版2048游戲
這些不同的元素就在一代代的恒星聚變過程中不斷合成越來越多。從這個(gè)過程我們就能知道，越輕的元素越多，越重的元素越少，就跟我們玩2048這個(gè)游戲是一樣的，1024和2048這種大的數(shù)字肯定是最少的。而水，則是由氫氧兩種質(zhì)量較低的元素構(gòu)成的，所以實(shí)際上從化學(xué)元素上講，在宇宙中，水根本就不是一個(gè)稀罕的東西。
宇宙中排名前十的化學(xué)元素豐度表 圖/wikipedia
二、火星上水的來歷
大約50億年前，一顆大質(zhì)量的恒星死亡，在死亡過程中拋出大量的高溫星云物質(zhì)。隨后星云圍繞中心自轉(zhuǎn)，在這個(gè)過程中，99%的星云物質(zhì)匯聚到星云中心，溫度壓力越來越大，最終點(diǎn)燃了核聚變，這就是太陽的形成過程。
太陽形成過程示意圖 圖/Science
太陽形成的同時(shí)或者是稍晚一些，部分星云物質(zhì)冷卻凝固下來，形成固態(tài)的星子，這個(gè)過程中，水就以各種形式間接或直接賦存于這些星子之中，比如單獨(dú)以氫離子或氫氧根離子形式成為某種化合物的一部分，又或者以結(jié)合水的形式賦存于巖石間。隨后，這些星子在圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的過程中相互碰撞，越來越少也越來越大，于是就形成了各大行星與小行星。
圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的星子相互碰撞，越來越大，最終形成行星
火星就是其中一個(gè)行星，在火星形成的過程中，因?yàn)榇罅啃亲拥呐鲎矌淼臒崮芤约靶亲又蟹派湫栽氐妮椛淠?，火星也越來越熱，最終熔化成為一個(gè)巖漿球，在這個(gè)初生的巖漿球中，各種物質(zhì)都被重新熔化形成液態(tài)的巖漿，其中的氫根、氫氧根、水分子等由此而得以自由活動(dòng)，這些分子、離子在巖漿中通過各種化學(xué)反應(yīng)形成水蒸氣。
火星最初形成時(shí)可能類似于這種環(huán)境 圖/alphacoders.com
等到最終火星表面冷卻之后，這些水蒸氣以雨水的形式降落下來，這就是火星上水的來源。當(dāng)火星的地表冷卻以后，火星內(nèi)部的巖漿又通過火山而源源不斷向外補(bǔ)充著水蒸氣。當(dāng)然，其實(shí)地球上水的的來歷也類似于此，我們甚至可以更進(jìn)一步推廣到所有的巖石行星，在這些行星上，或多或少都是有水的。
所以，答應(yīng)我，不要再因?yàn)樵谀衬承乔虬l(fā)現(xiàn)了水就一驚一乍了好嗎？
三、火星上有水的那些年
在火星上有水的那些年里，形成了大量的河谷、河網(wǎng)、峽谷、湖泊，這些流水地貌與地球上的水流地貌非常相似，有科學(xué)家就曾經(jīng)專門通過對(duì)比火星和地球流水地貌的規(guī)模和特征，從而推斷火星上這些河流中的水源、水流量等等信息，有人甚至推測，曾經(jīng)火星上某些河流的水流量可能是地球上亞馬遜河水流量的10倍。
火星上的水系 圖/ESA
卡塞峽谷外流河河口 圖/MDPI
基于隕石坑而形成的湖泊和河流 圖/phys.org
不過，可惜的是，由于目前證據(jù)還不夠多，所以關(guān)于火星表面是否有過海洋還存在著爭議。不過NASA靠著想象畫出了有海洋的火星的模樣。
有海洋存在的火星想象圖 圖/NASA
四、火星上的水為何消失？
火星上水量充沛的年代離現(xiàn)在已經(jīng)很遙遠(yuǎn)了，科學(xué)家們估計(jì)，火星上的水大約從41億年前就開始出現(xiàn)，到大約37億年前，水量達(dá)到頂峰。但是到大約30億年前，火星上的水分逐漸減少，成為如今我們看到的荒蕪模樣。
火星上液態(tài)水和火山活動(dòng)的年代
火星上的水為什么會(huì)消失呢？這其實(shí)主要是因?yàn)榛鹦巧蠋r漿活動(dòng)的逐漸減弱。我們在前文講了，水的形成其實(shí)與巖漿活動(dòng)是有密切聯(lián)系的，巖漿活動(dòng)活躍，水分補(bǔ)充就多，巖漿活動(dòng)弱小，水分補(bǔ)充就少。我們看上面的圖也能夠看出來，火星上的水與火山作用是密切相關(guān)的。
火星與地球相比要小很多，它只有地球體積的38%，這意味著它冷卻的速度要比地球快很多。大約31億年前開始，火星內(nèi)部逐漸冷卻凝固，巖漿活動(dòng)越來越弱，因而補(bǔ)充到火星地表的水也就越來越少，而火星也一方面因?yàn)槠鋫€(gè)頭太小，引力也小，過小的引力無法束縛水和大氣，大量的水和大氣向外逃逸跑到了太空中；另一方面，凝固的火星內(nèi)部無法產(chǎn)生固定的磁場，這些磁場本來像護(hù)盾一樣保護(hù)著火星的大氣，在它消失后，來自于太陽的電離物質(zhì)，不斷刮走火星上的大氣和水分。
一方面補(bǔ)充少，一方面大量散失水分，這就是火星上水分快速消失的原因。
火星和地球大小對(duì)比 圖/wikimedia
五、火星上還有水嗎？
雖然現(xiàn)在火星地表一片荒蕪，但是火星的某些地方可能殘留有一些水分。其中水分最多的地區(qū)可能要數(shù)南北極了?；鹦堑哪媳睒O和地球類似，這里也因?yàn)闇囟葮O低而保留有大量的冰，不過火星因?yàn)闇囟缺鹊厍虻偷枚?，所以這些冰是水冰和二氧化碳干冰的混合物。
火星北極冰蓋-NASA
在2018年，NASA曾宣布它們在火星的南極冰蓋之下發(fā)現(xiàn)了一個(gè)高度疑似的液態(tài)水湖泊；此外，在火星某些還殘留有少量巖漿活動(dòng)的區(qū)域內(nèi)，可能存在少量的地下水，這些地下水在近地表的區(qū)域內(nèi)因?yàn)闇囟鹊投粌鼋Y(jié)形成了冰，2008年鳳凰號(hào)探測器曾經(jīng)在火星北極挖了一個(gè)土槽，在槽中就發(fā)現(xiàn)了水冰的痕跡，這些水冰在4天后因升華而部分消失。
鳳凰號(hào)在火星挖出來少許水冰，這些水冰在4天后才部分升華消失 圖/wikimedia
六、地球會(huì)變得跟火星一樣嗎？
這個(gè)問題可能是大部分人都會(huì)關(guān)注的一個(gè)問題。回答是肯定的，地球在未來的某一天，終將變得跟火星一樣，這是一個(gè)星球的生死輪回，無法避免。但是好消息是，地球比火星大很多，所以地球冷卻的會(huì)慢很多，水分的逃逸也少很多，地球內(nèi)部的巖漿也還很活躍，而地球要走到火星那一步可能還需要數(shù)十億年的時(shí)間。
好啦，關(guān)于火星的問題先寫到這里，我們在中國的火星探測器發(fā)射之后再來繼續(xù)聊火星~
本文來自公眾號(hào)：把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids），作者：沈夢溪
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