火星是什么样的？作为太阳系中地球的“孪生兄弟”，人类总是对它充满了遥远的想象。
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它是地球的近邻，与地球有着类似的岩石表面和内部结构，属于‘类地行星’家族一员。并且它们的南北极存在冰冠，形态类似地球极地。
它有着类似的昼夜周期，也有相对明显的四季变化。过去火星还存在液态水，拥有适宜生命存在的条件。
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它像一面高悬的宇宙之镜，映照出地球命运的另外一种可能。
01
火星探索简史
人类对于火星的探索从未停止。
古代文明，如中国、埃及和巴比伦对火星进行了早期记录。中国称火星为“荧惑”，认为其运动关联灾异；罗马神话中，火星对应的是战神马尔斯。
19世纪，望远镜发明后，意大利天文学家斯基帕雷利绘制首张火星地图，提出“运河”假说，引发火星存在生命的猜测。
斯基亚帕雷利1877火星地图
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1960年，苏联发起首次火星探测，但均以失败告终。1964年，美国“水手4号”成为首个成功飞掠火星的探测器，传回21张地表照片，揭示火星荒凉、陨石坑密布的地貌。
水手9号探测器
图源自：NASA中文网
美国海盗1号（1976）成功着陆，并传回地表全景图。1990年代，美国“火星全球勘测者”轨道器开启长期勘测，并绘制高清地图。
图源自：NASA中文网
自1997年美国“旅居者号”开启火星移动探测时代，之后，NASA“勇气号”、“好奇号”突破性发现水蚀痕迹与有机分子，证实了火星宜居性可能。
02
火星演化简史
——从“火世界”到“水世界”再到“永恒荒漠”
在对火星漫长的探索中，科学家们发现火星曾经也有过适宜生命存在的环境。它的地质时期，主要可以分为：前诺亚纪、诺亚纪、西方纪以及亚马逊纪。
火星演化历史
图源：火星雅丹地貌研究进展_王江
炽热的熔岩世界
约45亿年前，火星刚从太阳星云中凝聚形成时，它的表面温度极高，如同一个炽热的熔岩世界。
火星上发现的火成岩
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这颗年轻的红色星球上可能遍布着火山喷发、熔岩流动和水汽蒸腾的景象——它正处在“婴儿期”，像一个充满活力的婴儿，有着孕育着生命的潜力。
行星内部的热流如同一个永不熄灭的熔炉，驱动着大规模火山喷发。
奥林帕斯山像是火星表面的一个巨大脓包
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火山喷发不仅塑造了地形，还释放出大量气体和水蒸气，为当时的温暖气候“添砖加瓦”，可能支撑了早期液态水湖泊的形成。
水塑造的“湿润星球”
诺亚纪（35-40亿年前）的火星，绝非今日的红色荒漠。火山释放的温室气体包裹着整个星球，温度维持在冰点以上，使液态水得以自由流淌——北半球的低地汇聚成广阔的海洋。
火星36亿年前的假想图。蓝色区域显示了现已消失的Deuteronilus古海洋和海岸线。
图源：Robert Citron
火星上已经干涸的河道
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而陨石坑则蓄水为星罗棋布的湖泊；蜿蜒的河网从高地奔涌而下，刻出深邃的河道与三角洲。它拥有广阔的海洋、星罗棋布的湖泊以及奔腾的河流，是一个由水塑造的、充满活力的“蓝绿星球”。
洪水与冰冻转折期
约35亿年前，随着诺亚纪的落幕，火星进入了赫斯佩里安纪。一场突如其来的“大冻结”首先拉开了序幕。火山喷发逐渐稀少，塔尔西斯高原的巨人们沉寂了下来，炽热的熔岩不再肆意奔流。
火星表面1/4的湖泊是由洪水造成的。我们现在看到的火星地貌，多半是在长期的洪水泛滥下形成的
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全球温度持续下降，液态水无法再自由徜徉于地表，而是被锁入地下永久冻土层或极地冰冠，表面覆盖着荒芜的红色尘土。
此时，火星上演了太阳系最壮观的“冰火交响曲”。火山余热的微弱辐射，或是陨石撞击的剧烈震动，时不时便会触发地下冰库的瞬间融化，导致一场场突如其来的大洪水瞬间爆发，数以亿吨计的水流如狂龙出渊，从地底喷涌而出。
火星上的远古河湖相沉积物
图源：NASA中文网
我们常常喜欢对已经发生的历史作出假设。假设火星一直是一个“湿润的星球”，那我们今天有机会在火星上看到外星人吗？
然而，世界上并没有那么多如果。
磁场消失，风沙统治
约20亿年前，火星的命运迎来了一场无法逆转的巨变。
全球气候逐渐冷却，磁场减弱导致大气层大量流失，太阳风持续剥离气体粒子，液态水难以存留，最终形成如今稀薄的二氧化碳环境。
NASA的毅力号火星车拍摄到了这张昵称为“松林（Pinestand）”的拼接图。科学家们认为，这里堆叠在一起的高大沉积层可能是由一条深而湍急的河流形成。（图源：NASA中文网）
这使得地表极端干燥和寒冷，平均温度低至-60°C，白天短暂升温后，夜晚便骤降至-100°C的冰点深渊。液态水不复存在，取而代之的是永久冻土下的水冰和极地冰冠。
气温波动剧烈，日间可达20°C，但夜间骤降至-100°C以下，平均温度约-60°C。稀薄的大气缺乏有效隔热，使地表暴露于高强度太阳辐射和宇宙射线中，同时引发频繁的全球沙尘暴。
03
揭秘火星地貌
随着探测器数量越来越多，摄影仪器越来越精密，人类在火星上都发现了什么呢？
超级大峡谷
最初的探测器——“水手9号”最大的发现是火星上一条绵延超过4000公里的超级大峡谷，这几乎是美国科罗拉多大峡谷的10倍，深度超过7000米。这条超级裂谷切割了火星几乎1/4的周长。这个巨大的峡谷后来被以“水手9号”的名字，命名为“水手谷”（Valles Marineris）。
水手大峡谷，从空中俯瞰它像是一条巨大的疤痕
图源自：NASA中文网
科学家们猜想，大约在35亿年前，火星上的火山群剧烈喷发，地幔岩浆抬升导致周边地壳拉伸断裂。水手大峡谷在最初规模不大
后来经历了地下水渗流、山体滑坡及远古洪水进一步拓宽加深，最终形成了今天的巨大峡谷。
水手大峡谷的位置和高程图
图源自：NASA中文网
超级火山
奥林匹斯山，看起来像是突起的一块脓包
图源：NASA
火星超级火山的形成，核心在于火星缺乏板块构造系统。地球有移动的板块，火山热点就会随着板块漂移而改变位置，海洋中火山岛链的形成就是由于这个原理。
但是火星的地壳是“静态”的——它像一块固定的大石板，没有板块运动。这就意味着，一旦地幔中的热点形成，就会在同一个位置持续喷发数十亿年，不会发生迁移。
奥林匹斯山
图源自：NASA中文网
此外，火星的重力仅为地球的38%，低重力环境使得熔岩能流动得更远，而不是像地球那样快速堆积成陡峭山峰。这些条件结合火星早期的活跃火山活动，为超级火山的诞生提供了温床。
这种持续喷发从约37亿年前开始，最近一次小规模活动发生在约200万年前。相较于地球最活跃的夏威夷火山，奥林匹斯山在漫长地质年代中堆积到22公里的惊人高度，相当于珠穆朗玛峰的三倍左右。
奥林匹斯山的高程和位置图
图源自：NASA中文网
极地冰冠与干冰地貌
火星与地球相似，南北极也有白色的冰冠。除了水冰以外，干冰（固态CO₂）在火星极地的升华与凝结，塑造了太阳系独一无二的地貌。
火星地表的干冰
图源：NASA中文网
北极冰冠：直径约1000公里，最厚处达3公里，主要由水冰构成，储量约160万立方千米，相当于覆盖整个火星表面1.2米深。其表面覆盖一层薄薄的季节性干冰，厚度不足1米。冰冠边缘呈层状结构，如同树木年轮，记录着火星数十万年的气候波动。
火星北极冰盖
图源：NASA中文网
南极冰冠：直径约350公里，但季节性变化更剧烈。其核心是永久性干冰盖，厚度可达8米，下方隐藏水冰。冬季时，干冰层扩展至纬度60°区域，夏季则退缩至极圈内，形成独特的“瑞士奶酪”地貌。
春天最令人着迷的现象之一是火星北极的巨大冰盖，其面积如同德克萨斯州一般大。在冰盖的表面，雕刻出旋转的沟槽，露出了下面红色的火星表面。这种效果就像在拿铁咖啡中搅拌的牛奶。
火星南极冰盖
图源：NASA中文网
春季，阳光透过冰层照射，底部冰层转化为气体，压力不断增加，升华的CO₂气体裹挟沙粒喷射至80米高空，形成间歇性喷泉，同时引发局部尘暴，形成这些暗色扇形物质。这类现象仅在火星极地可见，是理解火星大气动力学的天然实验室。
冰层底部的气体通过冰层的薄弱点喷涌而出
形成间歇泉般的气体喷发
图源：NASA中文网
在北半球的某些间歇泉周围的所有冰层在夏季升华后，泥土中会留下类似巨大蜘蛛腿的痕迹，使干冰底部升华成高压气体。气体冲破冰壳时，撕裂出放射状裂缝（宽数米至数十米），从空中看宛如巨型蜘蛛。
在火星上，到了春夏，干冰会从固态变成气态，并导致表面受到侵蚀，只留下刻在表面的类似蜘蛛一样的通道。
图源：NASA中文网
干冰会从固态变成气态后留下的”蜘蛛腿“
图源：NASA中文网
火星雅丹
在火星表面的梅杜莎沟槽组（MFF）区域内，雅丹地貌分布广泛，常常成为行星科学家和地质学家讨论的话题。
梅杜莎沟槽组的雅丹地貌
图源自：NASA中文网
雅丹地貌也称为“白龙堆”或“龙堆”。上个世纪，来自国外的探险家斯文赫定在罗布泊发现了它。当地的维吾尔族将这种地形称作：“yardang”。在维吾尔语中有“高大的土丘”之意。之后，“雅丹”一词随着斯文赫定的出版物广为流传，名扬海外。
雅丹地貌
图源自：爱给网
远古的河湖底部沉积的泥沙是它形成的基础。它分布于极端干旱区，风力作用是其主要外动力。强风通过风蚀对干燥松软的湖相沉积地层进行侵蚀切割，形成一系列与盛行风向平行的垄脊和沟槽组合。
此外，间歇性暴雨引发的暂时性流水侵蚀以及盐风化作用也是重要的辅助外动力，共同塑造了雅丹独特的地表形态。
雅丹地貌的形成机制
图源：火星表面雅丹地貌地质特征及古环境意义_王江
火星没有间歇性流水或盐风化辅助，因此其形态往往更尖锐、保存更完好。风蚀在火星上更为主导，直接雕刻出平行于盛行风向的垄脊和沟槽。因此，在火星的梅杜莎MMF槽沟区，雅丹地貌展示了更剧烈的侵蚀特征，这有助于科学家推测火星古气候的干燥化和风力历史。除此之外，火星雅丹高度从3.3m-366.9 m不等，平均值约为72.86 m。看上去要比地球上的雅丹地貌高得多。
火星沙丘
与地球相比，火星沙丘的地貌类型和形态明显简单许多。陕西师范大学行星风沙地貌学研究团队的董治宝教授指出，“火星沙丘几乎全部为简单沙丘，未见复合沙丘或复杂沙丘。而在地球上的主要沙漠则均有相当面积的复合和复杂沙丘。"
而在地球上的主要沙漠则均有相当面积的复合和复杂沙丘。如塔克拉玛干沙漠的复杂线形沙垄，巴丹吉林沙漠的复合横向沙山，鲁卜哈利沙漠的复合新月形沙山，和纳米布沙漠的复合横向沙山等。
新月形沙丘，顾名思义，形状像一轮弯月。它常常出现在单向风主导的区域。当强风从一个方向吹来，它会推动沙子向前移动。
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雕刻北极沟槽的风会重新塑造火星的沙丘，使沙子堆积在一侧，同时从另一侧带走沙子。随着时间的推移，这一过程会导致沙丘像地球上的沙丘一样逐渐迁移。（图源自：NASA中文网）
其次，在地球上，由于植物的存在，很多沙漠或沙地发育固定沙丘和半固定沙丘，如毛乌素沙地、浑善达克沙地和澳大利亚的多个沙漠。所以，在地球上广泛发育的灌丛沙丘和抛物线沙丘等沙丘地貌类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热带高压控制下的低纬度地区和中纬度的温带干旱区，而两极和高纬度地区风沙地貌极少。火星沙丘则主要分布在两极和高纬度地区，中低纬度地区很少。
火星表面分布的新月形沙丘
图源：火星表面雅丹地貌地质特征及古环境意义_王江
陕西师范大学行星风沙地貌学研究团队的董治宝教授称，地球沙漠可以称之为“气候控制型”。相反，火星寒冷干燥环境的历史久远，风沙地貌发育以及沙漠和沙地的分布受松散沉积物的丰富程度的控制，即有松散沉积物的地方就有风沙地貌发育，火星沙漠和沙地可以称之为“沉积物控制型。”
红色星球上的蓝色沙丘
图源：nasa中文网
红色星球上的蓝色沙丘
图源：nasa中文网
美国航空航天局在火星上还发现过蓝色的沙丘。对此，NASA未能做出解释，他们只是认为沙子的结构和成分可能与周围的沙子有所差异，但是它的诞生原因仍然是一个谜团。
由此来看，火星上人类尚未揭开的谜团还有很多。
04
去一次大西北，就近乎等于去一趟火星
由于技术原因，人类尚不能亲临外星球开展野外调查工作，对于外星球表面雅丹的研究主要还是依靠遥感影像和少量的就位探测数据。
研究火星地貌是如何诞生的，我们首先可以从研究地球上风沙地貌形成演化入手。在中国西部，从甘肃河西走廊到新疆柴达木盆地，人们对火星的遥远幻想被迅速拉近成现实。
地球上的雅丹地貌
图源：爱给网
火星地貌
视频源：NASA中文网
地球的干旱区为科学家提供了活生生的实验室。为了模拟火星表面不同环境，全球已经建立了多个相似性研究基地， 我国的首个火星模拟基地也建立在了柴达木盆地。
通过研究柴达木盆地中沙丘的迁移速率，地质学家得以反推火星风沙的动态历史，推断其低重力环境下的风沙活动强度。
数值模拟中不同风况作用下的沙丘形态特征，通过这些大大小小的“馒头”穹状沙丘，科学家可以推算出这个区域刮了什么风，吹了多少沙。（图源：中科院之声）
2018年，中国地质大学（武汉）行星科学研究所肖龙教授的团队同德国明斯特大学开展了一项国际合作研究。
研究人员对柴达木盆地和火星表面MFF区域内雅丹地貌的形貌学与几何学特征、形成演化过程进行了系统的综合对比研究。结果表明它们具有相似的形貌学与几何学特征。
柴达木盆地与MFF区域形成在双向盛行风环境下的雅丹
图源：火星表面雅丹地貌地质特征及古环境意义_王江
最深邃的探索始于最近的摹拟。人类对火星的进一步探索，或许正要从脚下的这片土地启程。