“祝融號”登陸火星：人類為何非要去那里？

在2020年7月23日離開地球，經(jīng)過6個月的飛行，中國“天問一號”火星探測器進入火星軌道，為火星拍攝照片，對其進行科學探測。2021年4月24日，“天問一號”攜帶的火星車被正式命名為“祝融號”。對于火星探測任務(wù)來說，進入火星軌道，在火星上空進行探測的難度相對還不算太大，最為驚險的，則是以高速進入火星大氣層，最終登陸火星的表面——這也將是對“祝融號”最大的考驗。

火星可以說是太陽系內(nèi)最難以登陸的天體之一。因為火星表面的引力相對較大（大約相當于地球的三分之一），又有無法被忽視的大氣層（表面密度大約為地球的百分之一）。對于任何想要登陸的探測器來說都要經(jīng)歷重重危險。而且因為火星距離地球遙遠，在所處的位置想要與地球進行通訊需要10分鐘以上的時間，而探測器最為關(guān)鍵的下降登陸過程總共只有7分鐘左右，地球無法對其進行臨場指揮，只能任由其根據(jù)之前的設(shè)計自行降落。因此國際上把這個關(guān)鍵的過程稱為“恐怖七分鐘”。

在離開地球?qū)⒔?0個月之后，“祝融號”終于也迎來了屬于自己的“恐怖七分鐘”。在整個登陸過程中，“祝融號”順利完成了姿態(tài)控制、在超聲速狀態(tài)中打開降落傘、拋隔熱大底、降落傘和支撐結(jié)構(gòu)脫離、反推火箭工作、懸停避障、減速軟著陸等一系列復(fù)雜動作。地球終于在北京時間2021年5月15日8時20分左右得到了來自火星的確認消息，“祝融號”成功登陸火星！

很多人都還記得，在2020年七月的火星探測窗口（以地球為基地，大約每兩年會出現(xiàn)一個持續(xù)時間大約為一個月的火星探測發(fā)射窗口），阿聯(lián)酋的“希望號”，中國的“天問一號”，以及美國的“毅力號”火星探測器相繼離開地球前往火星。“希望號”主要在火星軌道上進行科學探測，并沒有登陸計劃。“毅力號”在2021年2月19日已經(jīng)成功完成登陸，而中國火星車“祝融號”終于也成功登陸，即將進行自己“繞，落，巡”三個探測步驟中的最后一項，在火星表面進行科學探測。

祝融號登陸的位置，位于火星表面最大的平原——北半球的烏托邦平原（Utopia Planitia）。祝融號將在那里進行一系列的科學探測。根據(jù)天體化學與地球化學家、中國科學院院士歐陽自遠介紹，中國此次的火星探測任務(wù)總共攜帶了13種科學儀器，其中“祝融號”火星車自身攜帶了6種，要探測火星地下的土壤分布，土壤的成分，以及地下水的分布。此外“祝融號”還攜帶了一個氣象站，用以記錄火星的氣候變化。

“天問一號”著陸器及巡視器（圖源：CNSA）

從好奇到探測，人類通過各種方法對火星進行探索的歷史堪稱久遠�；鹦窃谝箍罩酗@得尤為明亮，又有著與眾不同的紅色，中國古人描述它“瑩瑩如火”。站在地球上來看，火星的移動軌跡和亮度都讓人捉摸不定，它因此得名“熒惑”。因為在冥冥之中感覺到這顆行星與人世間有所關(guān)聯(lián)，中國古人會通過熒惑的位置和動態(tài)來占卜地面上的吉兇。出于類似的原因，這顆行星在天空中時東時西，時而凝滯不動的軌道也讓其它的文明覺得難以捉摸，甚至感到厭惡。在4000年前，古埃及人稱火星為“紅色之星”（Her Desher），古巴比倫人稱它為“死亡之星”，羅馬人則沿用了古希臘人的說法，以戰(zhàn)神的名字命名火星“Mars”。那么，對于21世紀的人類來說，火星又意味著什么？人類為什么一定要去火星？可以說目前重要的原因，就是去尋找生命。

尋找火星生命

尋找火星生命——這不僅是一個科學問題，也是一個會令整個人類社會都為之興奮的話題——這關(guān)系到了人類社會的各個維度：生命的本質(zhì)是什么，人類是否孤獨？生命是否還有更多的可能？但是面對這樣一個與地球同源，當前環(huán)境卻又大不相同的臨近行星，人類又該從哪里開始去尋找火星生命的痕跡？

想要在火星尋找生命的痕跡，首先涉及到人類如何去理解生命現(xiàn)象本身。問題在于，地球是目前人類已知的宇宙中唯一產(chǎn)生出生命現(xiàn)象的行星。去外星尋找生命，只能從人類對于地球生命的理解出發(fā)。生命的存在依賴于各種條件的配合，那么什么才是最關(guān)鍵的因素？從人類對于地球的理解來說，想要證明一個環(huán)境能夠孕育出生命的標準很高——需要有水，有構(gòu)成生命的必要元素（比如碳），還要有穩(wěn)定的能量來源，而且這些條件又需要在同一個地質(zhì)時期內(nèi)全部被滿足。在一個環(huán)境中即使這些條件全都具備，人類科學家也還需要對其具體評估，然后再去界定在特定的條件下會產(chǎn)生出什么類型的生物。

2020年7月23日，“天問一號”火星探測器從海南文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。（圖源：視覺中國(13.270, 0.07, 0.53%)）

在所有支持生命存在的因素之中，水是最重要的。“跟隨水的蹤跡”是目前人類行星科學家們尋找地外生命跡象的首要準則。水是生命之源，水可以深刻改變一顆行星的環(huán)境，也能夠孕育出生命。火星蘊含著大量的水資源，這個結(jié)論固然已經(jīng)被證實，無可置疑。但是火星所儲存的水是否能夠，或者曾經(jīng)能夠在火星營造出一個適合生命現(xiàn)象產(chǎn)生的環(huán)境？再進一步討論，如果火星在40多億年的歷史中，尤其是在自然環(huán)境尚未變得像現(xiàn)在這樣惡劣時，曾經(jīng)產(chǎn)生出類似于地球的生命現(xiàn)象，那么它們又可能在火星留下什么樣的痕跡？

研究火星上水的存在形式和變化過程，是理解火星和尋找火星生命的關(guān)鍵——并不是只要有液態(tài)水就能夠孕育出生命，水資源要新鮮，不能含有太多的鹽分。在高鹽度的環(huán)境中細胞的滲透壓過大，無法生存。另外，水的酸度也很重要。雖然在地球上的一些極端環(huán)境中，人類發(fā)現(xiàn)了可以在酸性環(huán)境中生存的生物，但顯而易見的是，在相對中性的水中可以出現(xiàn)更多的生命形式，也就有更大的可能演化出復(fù)雜的生命體。而且以地球的環(huán)境類比，行星的液態(tài)水最好是存在于表面，有穩(wěn)定的水源和水流，比如穩(wěn)定的湖泊或是河流最適合生命現(xiàn)象的產(chǎn)生和繁衍。

目前人類對于火星的探測顯示，在它40多億年漫長的歷史中，或許有幾百萬年的時間，在表面上曾經(jīng)存在過由液態(tài)水形成的河流。這樣的時間長度，相比于幾十億年的行星歷史來說雖然只是短短的一瞬，但也有可能就是在這期間衍生出過火星生命。以地球為例，生命現(xiàn)象的存在，除了水分之外，還需要碳，氫，氮，氧，磷和硫等構(gòu)成生命的必要元素——相比之下，氮元素和碳元素又比較特殊，它們需要存在于土壤之中，卻又不能夠與土壤中的礦物質(zhì)結(jié)合得太過緊密，讓微生物無法采集和利用。這些物質(zhì)需要能夠溶于水中，容易被微生物所吸收——這些條件火星都有可能滿足。

在火星的漫長歷史中，是否曾經(jīng)有過哪怕一段極短的時間，所有出現(xiàn)生命現(xiàn)象的條件都同時得到了滿足？這還需要對火星的巖石和土壤進行進一步研究。在2008年抵達火星的“鳳凰號”（Phoenix）探測器檢測火星土壤略呈堿性，PH值為7.7。火星土壤中含有鎂，鈉,  鉀，和氯元素，這些都是種植植物所必須的元素，不過在其中也還含有0.6%的高氯酸鹽�？茖W家們相信，在遠古時代的火星土壤中，其中的氮元素可能容易被生物所取用，至于其它物質(zhì)，例如磷元素的情況，還需要進一步探測。如果人類的探測器能夠在火星土壤中發(fā)現(xiàn)一些相對集中的富含氮元素和磷元素的沉積物，就有相當大的可能說明這些物質(zhì)曾經(jīng)可以溶于水，并且可能曾經(jīng)被火星的微生物所吸收，參與了微生物的新陳代謝過程。

在火星大氣層中，尤其是遠古時代的火星大氣層中含有大量的二氧化碳。在2012年抵達火星的“好奇號”（Curiosity）探測器在火星一個干涸的“湖底”也發(fā)現(xiàn)了大量的碳元素。有些生物有可能可以直接通過代謝過程，從二氧化碳中提取碳元素，通過溶解于水中的二氧化碳建設(shè)細胞組織。好奇號在火星土壤中發(fā)現(xiàn)了黃鐵礦，磁鐵礦和雌黃鐵礦，這也可能具有重大的意義，因為這些礦物有可能為一種特殊的生物提供能量來源——這就是目前好奇號還在尋找的“化能自養(yǎng)生物”（Chemolithotrophs），這種生物能夠通過存在于巖石中的化合物獲得生命活動所需的能量。

布滿隕石坑的火星地表 (圖源：ESA)

假如真的曾經(jīng)存在過與地球生物類似的火星生物，那么經(jīng)過數(shù)十億年的歲月變遷，加之火星氣候發(fā)生了巨變，此時登上火星表面的人類探測器，乃至在未來親自登上火星探索的人類宇航員，應(yīng)該如何尋找和判斷火星生命留下的痕跡？這又涉及到了可能存在的火星生命如何保存，如何改變火星土壤的問題。在這方面，人類需要理解生物降解的過程，推導(dǎo)出古生物的遺跡留存至今的狀態(tài)，并且以地球作為參照來給出答案。

即使是在地球上，人類也極少能夠發(fā)現(xiàn)在幾十億年前生命存在過的證據(jù)。不同類型的生物生活在不同的環(huán)境中，它們在環(huán)境中能夠留下的生命痕跡也各有不同。在地球前20億年的歷史中，所產(chǎn)生的生命形式幾乎都是單細胞生物。如果曾經(jīng)存在火星生命，有很大可能也是從單細胞生物開始。想要尋找它們在火星存在過的證據(jù)，不僅需要這些生物在火星的土壤和巖石中留下足夠多的痕跡，還需要這些痕跡能夠在數(shù)十億年的時間里沒有被宇宙射線所完全摧毀。

由有機物構(gòu)成的生命體在死亡之后會發(fā)生降解，生物的遺跡轉(zhuǎn)化為沉積物，進而轉(zhuǎn)化為巖石。這些物質(zhì)會一層層的沉積下來，暴露在液體中發(fā)生巖化作用，從濕潤的糊狀逐漸變?yōu)閳杂驳膸r石。而水流一遍遍的沖刷，會帶走生物遺跡中的一些化學物質(zhì)，土壤中生物遺跡的化學成分會發(fā)生變化，一些物質(zhì)會發(fā)生氧化，變成氣體溢出，有機碳逐漸轉(zhuǎn)化為無機碳。從這個角度來說，火星上豐富的水資源可能反而不利于生物遺跡的保存。

即使沒有經(jīng)歷這些復(fù)雜的巖化過程，在火星表面的生物遺跡也可能受到宇宙射線的轟擊而消失。那么，即使在火星表面曾經(jīng)存在過生命現(xiàn)象，它們是否還有可能留下清晰的痕跡？來自宇宙射線的轟擊不大可能讓火星表面的所有有機物分子都完全消失——人類在一些有幾十億年歷史的隕石上仍然發(fā)現(xiàn)過有機物分子——也就是說，如果在火星表面確實曾經(jīng)存在一些生物遺留的有機物分子，那么時至今日，仍然可能會有一些遺留的痕跡等待人類去發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過科學家計算，在火星地表的有機分子，比如氨基酸，在宇宙射線的輻射之下，每隔6億5000萬年就會只剩下千分之一。以這個比例來計算，就算現(xiàn)在在火星的表面還存有一些來自遠古火星生命的有機分子，必然也已經(jīng)所剩無幾了。人類想要尋找火星生命曾經(jīng)存在的切實的，大量的證據(jù)，可能需要深入到火星的地下去尋找。

圖源：視覺中國

人類對于尋找火星生命寄予了怎樣的希望，一個必須面對的現(xiàn)實是，人類目前仍然對火星所知甚少，對于火星生命可能的狀態(tài)和經(jīng)歷，也都只能通過對于地球生命的研究進行類比。也正是因為如此，或許一個發(fā)現(xiàn)就有可能改變?nèi)�局�；鹦强燔囂柸嗽煨l(wèi)星（Mars Express）曾經(jīng)在火星大氣中檢測到氨的成分，這有可能是來自火星生物，也有可能來自于火星的火山；而火星微量氣體任務(wù)衛(wèi)星（ExoMars Trace Gas Orbiter）也曾經(jīng)在火星的大氣中發(fā)現(xiàn)些微的甲烷成分，這同樣激發(fā)了人們關(guān)于火星存在著微生物的想象；好奇號火星車曾試圖分析火星大氣中甲烷所含有的同位素，希望以此來判斷這些氣體是由生物釋放還是另有來由。結(jié)果顯示這些氣體源自火星生物的可能性不大，即使來自火星生物，也是在地表以下極深的位置，人類的探測器目前無法觸及。

最大的驚奇仍然可能來自于水的啟示。火星快車號人造衛(wèi)星從2003年開始就對火星進行地質(zhì)探測，在衛(wèi)星上還搭載了一個名為“火星次表面和電離層探測先進雷達”的科學儀器，可以對火星地表以下進行勘測。在軟件升級之后，經(jīng)過三年多的探測和分析，科學家們發(fā)現(xiàn)在火星南極高原（Planum Australe）區(qū)域的冰層之下，很有可能存在有大量的液態(tài)水。

根據(jù)科學家們2018年7月在《科學》（Science）雜志上發(fā)表的論文報告，在這個區(qū)域的冰川表面1.5公里以下，可能存在有20公里寬，大約幾十厘米深的大量的液態(tài)水。人們對于在火星地表之下可能存在有液態(tài)水早有懷疑，但這是至今為止人類獲得的最為可靠的探測證據(jù)。另外考慮到目前雷達還只是對火星的南極高原區(qū)域進行勘測就已經(jīng)有了這樣的發(fā)現(xiàn)。一旦這個猜測被證實，科學家們就有理由推測，在火星各處都可能在地表以下儲存有大量液態(tài)水。

這個尚未被確認的發(fā)現(xiàn)難以不讓人聯(lián)想到人類在地球的類似經(jīng)歷。直到20世紀下半葉，人類才在地球南極附近的冰面下發(fā)現(xiàn)了世界最大的淡水湖之一，沃斯托克湖（Lake Vostok）。這個230公里長，50公里寬，800米深的淡水湖被深埋在大約3.7公里的冰面之下。在人類發(fā)現(xiàn)它之前，這個淡水湖已經(jīng)與世隔絕了至少1500萬年的時間。在這種沒有陽光照射，溫度低于0攝氏度的極端惡劣的條件下，科學家們?nèi)匀粡暮�水中發(fā)現(xiàn)了眾多微生物的痕跡。

在火星的地表以下，是否真的存在含水量巨大的火星湖或是地下海洋？在這樣的環(huán)境中固然可以免受宇宙射線的襲擊，但水的含鹽量會否太高？如果人類真的有機會探測到火星的地下湖，是否會發(fā)現(xiàn)一個全新的世界？這些疑問，需要未來一代又一代的火星探測器，乃至親自探訪火星的人類宇航員給出答案。

藍色星球的紅色兄弟

盡管人們對于恒星和星系的形成原因和過程仍有爭論，但目前的主流理論認為，在大約46億年前，在如今太陽系的區(qū)域還只存在著大量的氣體和灰塵顆粒在宇宙中打轉(zhuǎn)。在一個時機，這些氣體和灰塵顆粒受到了某種擾動——或許是受到了附近超新星爆發(fā)的影響，于是它們開始在引力的作用下聚集起來。在中心區(qū)域，主要由氫氣聚集形成太陽，這個巨大的新誕生的恒星占據(jù)了整個太陽系99.86%的質(zhì)量。而在太陽的周圍，剩余的一些灰塵，氣體和冰聚集擠壓在一起，又形成了一個個由融化的金屬作為內(nèi)核，具有地幔和地殼結(jié)構(gòu)的類地行星。

如果進行類比，在太陽系的行星系統(tǒng)中，地球和火星就如同是一對在幼年時處處相似，但是之后的境遇卻又完全不同的兄弟（火星形成的時間可能稍早于地球）。相比之下，火星距離太陽更遠，是地球與太陽距離的1.52倍，接收到的陽光是地球的43%。即便如此，火星在形成初期的地表狀況很可能與地球類似。在形成初期火星同樣有活躍的火山活動，噴發(fā)出氣體的成分可能也與地球類似，這讓火星擁有了足以保持其表面液態(tài)水資源的致密的大氣層。

火星與地球在組成結(jié)構(gòu)上也頗為相似。這兩顆行星都擁有一個熾熱的，由融化的金屬所構(gòu)成的內(nèi)核，又因為這些金屬在內(nèi)核的流動產(chǎn)生出全球性的磁場；內(nèi)核之外，兩顆星球都具有地幔和地殼結(jié)構(gòu)；都擁有活躍的火山活動；在表面同樣都覆蓋了大量的液態(tài)水，致密的大氣層又可以保持水分不至蒸發(fā)流失到宇宙空間之中。在太陽系所有的行星中，火星的季節(jié)也與地球最為近似。這是因為兩顆行星公轉(zhuǎn)的傾角相似，而火星公轉(zhuǎn)的周期大約是地球兩倍——一個火星日和一個地球日的時長大約相同，但一個火星年卻大約相當于兩個地球年，火星季節(jié)的長度也大約是地球兩倍�；鹦堑谋砻鏈囟鹊陀诘厍�，在冬天時最低可以達到零下135攝氏度，而在夏天時赤道溫度最高可以達到35度。

地球與火星的外觀和大小對比 （圖源：NASA）

火星和水星，金星，地球幾個太陽系內(nèi)側(cè)的類地行星一樣，表面被火山噴發(fā)，大氣層中的灰塵，還有來自太陽系內(nèi)部其它天體的撞擊等因素共同塑造。在太陽系形成的初期，距離現(xiàn)在41億年前至38億年前的一段時間，也就是所謂的“后期重轟炸期”（late heavy bombardment），火星與其它幾顆太陽系內(nèi)側(cè)的天體一同經(jīng)歷了眾多隕石和小行星的轟擊。來自太空的撞擊在火星表面上留下了眾多的隕石坑，也因此形成了巨大的平原——這看上去如同火星的累累疤痕，但人們也可以由此判斷在火星表面各個區(qū)域的形成時間。

火星的阿爾西亞火山（Arsia Mons）在活躍時期曾經(jīng)每隔1百萬年到3百萬年就會發(fā)生一次猛烈的爆發(fā)，噴射出大量的巖漿，但是它距今最近的一次噴發(fā)也是在5000萬年之前，從此之后，火星的火山活動逐漸平靜——那正是地球上的恐龍大規(guī)模滅絕之際。人類雖然還沒有觀測到過火星火山的爆發(fā)，但是探測顯示，在距今10萬年前在火星依然還有火山活動，一切尚未完全歸于沉寂。

如今，太陽系內(nèi)的第三行星依然蔚藍，但第四行星已經(jīng)成為一顆被荒漠覆蓋的紅色星球。與地球表面被大氣層包裹之下呈現(xiàn)出海洋的蔚藍色不同，火星的紅色來自于其表面土壤中所含有的大量氧化鐵成分，使它在地球的夜空中清晰可辨。只是在人類幾千年的歷史中，絕大多數(shù)曾經(jīng)仰望星空，凝視過火星的人，都不會想到他們的眼中所見，與自己身處之地，是兩顆在形成初期環(huán)境極其相似的行星。它們在之后的幾十億年里分道揚鑣，以至于通過相對的顏色就能夠彰顯出彼此迥然相反的命運。

火星與地球在形成初期的眾多相似之處中，最為關(guān)鍵的就在于兩顆行星都是被致密的大氣層所包裹，在表面存在液態(tài)水。形成初期的火星是什么樣貌？類似于推測形成初期的地球環(huán)境，人們只能通過蛛絲馬跡來進行猜測和還原。在40多億年前，地球大氣層中富含由火山噴發(fā)而出的甲烷，氨氣，氫氣，還有一部分未溶于水的二氧化碳，二氧化硫等。而后經(jīng)過地球微生物數(shù)十億年的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在地球大氣層的主要含有氮氣，氧氣，二氧化碳和水蒸氣等成分�；鹦堑脑�始大氣或許和地球原始大氣的成分類似，而目前在火星稀薄的大氣層中包含了96%的二氧化碳，1.93%的氬氣，1.89%的氮氣，少量的氧氣，還有富含氧化鐵的大量灰塵懸浮其中，這使得在火星表面向遠處看去呈現(xiàn)出黃褐色，在沙塵暴的天氣里大氣還會呈現(xiàn)出一點粉色。

圖源：視覺中國

因為在表面曾經(jīng)有液態(tài)水的存在，加上其它的種種因素，塑造出了火星表面豐富的地貌。火星表面并不平坦，火星表面長近4000公里，最深處達到7公里的水手峽谷（Valles Marineris）是太陽系內(nèi)最深的峽谷；而外表為盾狀的火星火山奧林帕斯（Olympus Mons）直徑達到600多公里，高25公里，是太陽系內(nèi)最大的火山。而火星表面一些看似樣式統(tǒng)一的溝渠，非�？赡苁窃诨鹦潜砻嬗杀�所融化的液態(tài)水進行沖刷的結(jié)果。有些溝渠上隕石坑的痕跡極少，說明這可能是在最近幾百萬年的時間里形成的（也有人懷疑這些溝渠是由火星表面的液態(tài)二氧化碳和全球性的沙塵暴所共同塑造）。

美國航空航天局發(fā)射了數(shù)個火星著陸器和探測器到達火星表面進行實地探測，分析火星土壤的成分。在2004年，“機遇號”（Opportunity）探測器在火星土壤中發(fā)現(xiàn)了黃鉀鐵礬成分，形成這種物質(zhì)需要酸性水的參與，它在2011年又發(fā)現(xiàn)了石膏，這同樣需要水的參與——種種跡象表明，在火星土壤的淺層以下極有可能曾經(jīng)存在著很多暗流，這些暗流在火星的夏季流淌，它們不僅塑造了火星的地貌，也決定了火星土壤的成分。

人們相信，理解了在火星上水的歷史，就能夠理解火星氣候的歷史，進而理解行星，乃至整個太陽系演化過程。人們發(fā)現(xiàn)在大約35億年前，火星曾經(jīng)經(jīng)歷了太陽系內(nèi)最大的洪水。這些水從哪里來，又持續(xù)了多久？實際上，火星目前仍然蘊含著大量的水資源，但是其中絕大部分都是以冰的形式存在。在火星的兩極區(qū)域覆蓋著巨大的白色冰蓋，其中有大量的固態(tài)二氧化碳，同樣也蘊含著大量的水資源。

火星的土壤里也儲存有大量的冰。鳳凰號探測器在它的降落地點就曾經(jīng)探測到水的存在，而好奇號探測器通過自身所攜帶的火星樣本分析設(shè)備（ Sample Analysis at Mars）也在火星土壤中檢測到了水的存在。科學家們估計，在火星表層，每立方米的土壤中可能含有超過30升水，這些火星水資源足夠供未來到達火星建立科學基地或是永久居住地的人類取用。

另一方面，火星曾經(jīng)擁有的大量水資源確實已經(jīng)流失，以水蒸氣的方式進入到太空中。火星水資源流失最重要的原因正在于火星逐漸失去了自身致密的大氣層，這使得火星無法維持自身的表面溫度和大氣壓，液態(tài)水不復(fù)存在，地表的樣貌和狀態(tài)也逐漸發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，成為一顆看上去光禿禿的紅色星球。是什么原因讓火星失去了它的大氣層？地球又是怎樣保全了自身的大氣層？可能正是兩顆行星極其細微的差別，決定了它們各自不同的命運。

消失的磁場

火星的直徑只有地球一半左右，體積大約為地球的15%�；鹦堑拿芏纫猜孕∮诘厍�，因此其質(zhì)量大約只有地球的11%，表面引力自然不及地球，大約是地球表面引力的38%。因為引力作用較弱，火星的大氣層厚度達到11.1公里，相較于地球大氣層8公里的厚度更高，但是其溫度更低，平均分子量更低。論起密度，火星大氣層遠遠不如地球大氣層致密，無法起到調(diào)節(jié)溫度和保護行星表面水資源的作用。

目前火星的大氣層非常稀疏（這讓人類的火星探測器在降落到火星地面時難度極大），火星的地表氣壓還不到地球的1%�；鹦亲鳛樘�陽系內(nèi)第二小的行星，引力作用相對微弱，因而無法擁有一個致密的大氣層。但進一步的研究顯示，與地球引力的差距可能并不是使火星最終失去其大部分大氣的主要原因。火星早期的大氣層可能遠比現(xiàn)在的大氣層更加致密，而其發(fā)生變化的根本原因在于火星大氣層與太陽風（solar wind）的直接作用。

所謂“太陽風”，指的是從太陽外層射出的高能帶電粒子流。太陽風的速度可以達到每小時160萬公里，吹向整個太陽系。太陽風的高能粒子到達火星，可以與火星大氣層中的粒子發(fā)生相互作用，使火星大氣層中的粒子獲得巨大的能量，因而不再受到火星引力的制約。美國航空航天局發(fā)射的“火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)”探測器于2014年到達火星軌道，探測火星的大氣狀況。這個探測器直接觀測到了火星大氣與太陽風相互作用的過程。這些來自太陽的高能粒子使火星大氣層頂端的粒子獲得了巨大的能量，從而得以離開火星，最終離開太陽系。

洞察號奔赴火星表面 圖源：NASA

直接觀測到火星大氣與太陽風的相互作用，對于理解火星的歷史，乃至于理解地球的發(fā)展過程都有重要的作用，也有助于人們預(yù)測火星的未來。根據(jù)MAVEN探測器的觀測數(shù)據(jù)進行計算，科學家估計火星大氣層每秒鐘大約會失去100克的分子飛向太空。在這些損失中包含氧氣，二氧化碳和氫氣，都是構(gòu)成生命的重要物質(zhì)。而在太陽系形成初期，太陽風的強度遠高于現(xiàn)在，因此火星失去大氣分子的速度會更高于現(xiàn)在。正是數(shù)十億年來不斷受到太陽風的侵擾，讓火星失去了最外層，也是最重要的大氣保護，讓火星地面上的大部分水分以水蒸氣的形式進入了太空。通過對于火星大氣層的直接探測，科學家們也得知，以目前火星稀疏的大氣層仍然足以抵擋太陽風的高能帶電粒子直接襲擊到火星地面——這對于志在送宇航員親自到火星進行探索，乃至建立永久的火星基地的人類來說算是一件好事。

太陽風在極大程度上摧毀了火星的大氣層，讓火星環(huán)境發(fā)生了根本性的變化，這樣的悲劇會不會同樣發(fā)生在地球上？起碼在目前看來，人類還無需為此擔心。從根本上來說，地球之所以在幾十億年的時間里一直生機盎然，保有致密的大氣層不至于受到太陽風的襲擊，是因為在地球的地核區(qū)域，主要是由高壓下的液態(tài)金屬構(gòu)成。地核中液態(tài)金屬的流動而形成了一個全球性的磁場。這個由強大磁場所覆蓋的區(qū)域被稱為磁層（magnetosphere）。地球磁層有如一個強大的保護盾，讓地球大氣層頂端的氣體分子不必直接與太陽風中的高能粒子發(fā)生相互作用，因此地球大氣層中分子的流失速度遠遠不及火星大氣層，也就使得地球在幾十億年的時間里，始終被致密的大氣層所包裹，從而調(diào)節(jié)地面溫度，保護地球的水資源。只要地球的內(nèi)核不冷卻，地球的全球性磁場不消失，人類就不會失去強大的磁層，也就不必擔心失去地球大氣層。

與地球進行對比，人們就容易理解，火星之所以在太陽風的作用下失去了可以維持其地表溫度和保護水資源的大氣層，根本原因可能就在于火星沒有一個全球性的磁場可以與太陽風相抗衡，只能讓其大氣層直接與太陽風中的高能帶電粒子相作用。從這個結(jié)果反推，也就可以想象，在火星形成的初期，它的自然環(huán)境可能與地球類似，適合生命的存在。科學家們推測，在大約43億年前，火星曾經(jīng)擁有過全球性的海洋，其水量可能比地球北冰洋的水量更大，結(jié)果隨著火星大氣層的逐漸衰弱，火星海洋中的大部分水分都逐漸化為水蒸氣，消失在了太空之中。

圖源：NASA

那么，火星是否也曾經(jīng)像地球一樣，擁有一個全球性的磁場？根據(jù)探測，現(xiàn)在的火星雖然沒有全球性的磁場，但是火星地殼的一部分區(qū)域卻被磁化了。這說明在之前，火星擁有一個全球性的磁場，并且磁場曾經(jīng)發(fā)生過磁極變換。很有可能的情況是，火星在大約40億年前就失去了全球性磁場的保護�；鹦蔷烤故窃鯓邮�去了自身的全球性磁場，目前人類還沒有確切的答案。這有可能是由于小行星的撞擊，也有科學家懷疑是因為火星的內(nèi)核不再像地核一樣充滿融化的金屬，而是逐漸冷卻，失去了流動性，導(dǎo)致了全球性磁場的消失。

關(guān)于火星的種種謎題，還需要人類在未來對其進行更精確的探測。目前，在火星表面上還有“好奇號”（Curiosity），“毅力號”（Perseverance）火星車，“洞察號”（InSight）火星探測器等設(shè)備在進行科學探測。剛剛抵達火星表面的“祝融號”也只是中國一系列火星探測任務(wù)的開始。在未來，中國還將發(fā)射一系列火星探測器，計劃把在火星上取得的樣本送回地球。

對火星進行科學探測是全人類的共同目標。通過研究火星，人類將更詳細的理解地球自身形成和發(fā)展的過程，更準備的預(yù)測地球的未來，也必定會更深刻的理解生命的本質(zhì)。在這個全新且重要的科學命題面前，中國已經(jīng)通過“祝融號”走在了世界面前，中國科學家們必定將擔起越來越重要的職責。