随着人类社会的不断发展 ， 我们对地球资源的开采力度逐渐增大 ， 地外资源的开发和利用就必不可少 。 火星与地球一样处于太阳系中的宜居带内 ， 作为距离地球最近的星球之一 ， 由于其独特的地形地貌 ， 以及与地球类似的某些物理特性 ， 引起了人类对火星探测的浓厚兴趣 ， 火星多年来也一直被科学家们视为人类移民的首选星球 。 要想了解人类在火星上是否可以生存 ， 就要了解火星的环境 ， 而其中 ， 水和大气是最为重要的两大要素 。
大约在40亿年前 ， 地球的近邻 ， 红色星球——火星 ， 曾经历了温暖湿润的时期 ， 那时 ， 火星有较厚的大气层 ， 地面也有河水流淌 ， 一些科学家认为 ， 这种环境使得早期火星成为非常特别的星球——它曾是一颗有机会孕育出生命的行星 。
【火星探测|火星上的水和大气是如何消失的？】
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地球与火星（图片来源：NASA）
但今天 ， 我们观测到的火星十分干旱 ， 早已不见曾经的湿润景象 ， 只剩下遍布的火山、无垠的沙漠以及幽深而干燥的裂谷 ， 液态水无法稳定地存在于火星表面 ， 主要就是因为火星的大气层太冷太薄不能维持住水分 。 不过 ， 火星表面干燥的河床 ， 和只能由液态水的存在而形成的矿物质等证据都表明 ， 古代火星的气候与现在截然不同 ， 当时应该足够温暖 ， 大气层的厚度足以保持水分 ， 很长的一段时间内都有河水在地表流淌 。 那么 ， 火星上的水和大气去哪了 ， 今天就让我们来一探究竟 。
水的消失：深埋地表or逃出火星？
为了探测火星上与水和生命有关的信息 ， 至今人类已经发射了约50颗火星探测器 。 从这些探测器发回的图片我们可以看到 ， 现在的火星表面保留了河床、三角洲、峡谷以及湖盆等可能由地表水活动形成的地貌 ， 说明火星在远古史时期有大量地表水存在 ， 且其对火星地形的塑造起了重要作用 。
火星的水去了哪里呢？
关于火星表面水的消失过程 ， 科学界有两种观点 ， 一是认为火星表面的水以沉积岩的形式存在于火星地表以下；另一种观点认为 ， 由于缺少全球性偶极磁场的保护 ， 强烈的太阳风和辐射逐渐剥夺了火星的大气 ， 水经过蒸发和电离变成带电粒子 ， 沿着火星磁力线逃逸出火星大气 。
“火星快车”（mars express）上搭载的“火星先进地下和电离层探测雷达系统”（MARSIS）对火星地表以下的开展精细探测 ， 发现在火星南极高原的冰盖下1.5km深处存在直径为20km的湖泊 ， 这项发现表明火星表层深处可能存在更多稳定的液态水 ， 即火星拥有适合微生物等生命体生存的条件 。
2011年 ， 美国的“火星勘察轨道器”（mars reconnaissance orbiter, MRO）搭载的“高分辨率成像仪”（HiRISE）拍摄到火星表面或亚表层存在季节性斜坡纹线 ， 经光谱分析 ， 季节性斜坡纹区域的矿物是溶于水后再沉淀富集而成 ， 这个结果提供了现今火星上存在液态水的有力证据 。
2018年 ， 科学杂志发表Dundas 等人的研究成果 ， 他们在对火星中纬度地区的八处断崖地貌进行分析研究之后 ， 发现火星中纬区域的地下1~2米至100多米存在大量的纯净水冰 。
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断崖形态示例 ， aa'、bb'、cc'和dd'对应于右下的四副高程剖面图 ， 表明断崖位于塌陷和滑坡的高处（后缘） 。 右上是断崖部分在HiRISE的色彩加强影像中显示出的色调差异（图片来源：参考文献8）
被太阳风“偷走”的火星大气层
前面已经提到 ， 科学界存在一种观点：缺少全球性偶极磁场的保护的火星 ， 在强烈的太阳风和辐射下 ， 它的大气被逐渐剥夺 。 已有的研究也表明 ， 火星的大气层不是原生大气层 ， 而是在火星演化过程中由火星内部的脱气过程而形成的次生大气层 。 很久以前 ， 火星被一层厚厚的大气层笼罩 。 而现在的火星大气却变得非常稀薄 ， 科学家们对此进行了深入的研究 。
2013年11月 ， NASA发射了“火星大气与挥发物演化任务”（MAVEN）探测器 ， 它的使命是调查火星大气失踪之谜 ， 并寻找火星上早期拥有的水源及二氧化碳消失的原因 。 入轨一年后 ， NASA披露了MAVEN火星探测器关于火星大气层稀薄的两大原因：
第一 ， 磁层作用影响大气层：地球具有内禀磁场 ， 太阳风与地球磁层相互作用形成磁层顶 ， 可阻止太阳风和宇宙辐射射线的进入 ， 防止地球大气的逃逸 ， 充当了地球的“保护伞” 。 但火星的磁场很弱 ， 约为地球磁场强度的万分之一 ， 太阳风可以直接抵达火星 ， “袭击”火星的大气层 ， NASA认为是太阳风“偷走”了火星的大气层 。
第二 ， 引力束缚影响大气层：引力的大小影响了分子的逃逸速度 ， 火星的逃逸速度约为5.03km/s ， 同时太阳风的带电粒子撞击大气层中的分子 ， 让分子具有更高的速度 ， 使大量气体逃逸出火星大气层 。
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MAVEN火星探测器（图片来源：NASA）
目前火星的大气层分为低层大气和高层大气 ， 由二氧化碳、氮气、氩、氧气、一氧化碳等组成 ， 其中主要成分为二氧化碳 ， 体积比占95.32% ， 而氧气只占0.13% 。 火星大气逃逸主要发生在三个区域：一是太阳风吹到火星背面 ， 占大气逃逸总量的75%;二是极区上空 ， 占大气逃逸总量的约25%;三是绕火星的延展云层 ， 仅占大气逃逸总量的很小部分 。
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尘暴（dust devil）（图片来源：NASA）
火星磁场的消失 ， 导致太阳风不光吹跑了火星的一些大气 ， 部分水也跟着“丢了” 。 火星现在十分干旱 ， 火星风与尘暴频繁 ， 火星风的平均风速达4.3m/s,在地形交界处的风速可高达50m/s ， 且常常伴有强烈的尘暴 ， 这也加速火星大气的剧烈运动和逃逸 。
火星的探测还有必要吗？
为了探测火星 ， 我们人类“用心良苦” ， 在已经得知火星水源稀缺、大气稀薄的情况下 ， 继续探索火星有什么用呢？未来的火星探测又会有哪些亮点呢？
首先 ， 火星上的水与大气的演化是一个非常复杂的过程 ， 综合作用因素很多 ， 为了解这个过程及特征 ， 揭开火星的神秘面纱 ， 还需对火星大气层成分进行更进一步的探测和研究 。
其次 ， 火星上的水冰忠实记录着火星过去的气候和地质历史 ， 可以帮助我们深入理解火星历史气候变化 ， 反演火星的形成与演化 ， 追溯火星生命存在的痕迹 。
另外 ， 水冰是可以作为将来登陆火星的宇航员和火星移民的补给来源 ， 更可以和二氧化碳（火星大气中的主要成分）进行反应 ， 产生可供人类呼吸的氧气和可供作为火箭推进燃料的甲烷 。 只不过 ， 唯一的问题是 ， 既想着陆器获得足够的太阳能供给 ， 又想着陆器着陆在一个富含水冰（纬度不太低）的地方 ， 实在是挺难的！
自20世纪60年代以来 ， 国际上已实施多次火星探测任务 。 尤其是在2015年NASA正式宣布确认火星表面存在季节性液态水以后 ， 寻找火星生命痕迹和加深对火星地质演化和环境宜居性的认识 ， 成为人们关注且亟待解决的重要科学问题 。
2020年是全球火星探测活动非常密集的年份 ， 美国的“毅力号”（Perseverance）火星车 ， 阿联酋的“希望号”（Hope）轨道飞行器 ， 和中国的“天问一号”首次火星探测任务都将飞往火星 ， 去探究火星的水、大气以及生物宜居性的问题 。 火星探测将是中国行星探测的第一步 ， 是深空探测领域从月球到行星的发展历程中承前启后的关键环节 ， 也是未来迈向更远深空的必由之路 。
来源：科学大院
作者：吕博瀚、贾瑛卓
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