火星宜居时间远比想象更久 早期和地球超级像?

（原标题：火星宜居时间远比想象更久 早期就像地球）

出品|网易科学人栏目组

译者|小小

2012年，美国宇航局发射的好奇号探测器降落在火星上，以评估其过去存在生命的可能性，并调查直径150公里的盖尔陨石坑内的沉积岩，里面可能保存着古代气候记录。通过利用好奇号探测器提供的数据构建的地质模型，科学家们揭示了一个古老的、适合居住的火星湖泊环境。结果还显示，火星上宜居的时间远比我们想象的更加久远。

在古代，盖尔陨石坑是个巨大湖泊，里面充满了蓝色的淡水。如今，它成为红色火星表面上近150公里宽的巨洞。虽然淡水消失，但其留下的沉积物可能包含着重要线索，比如这颗行星何时何地曾适合生命生存。美国宇航局2012年发射的好奇号火星探测器始终在寻找这样的线索。围绕着盖尔陨石坑漫步，并爬上陨石坑中心4800米高的夏普山，好奇号正在研究湖中留下的岩石层。

对好奇号的发现进行分析显示，在31亿-38亿年前，火星上的确曾存在支持生命的物理、化学以及能量成分。这段时间也恰好与地球上生命诞生的时间相吻合，只是这个“时间窗口”比科学家们此前预想的更大。

图1：火星上的盖尔陨石坑今天看起来截然不同，这里过去曾是个巨大的淡水湖。对湖中沉积的岩石进行分析显示，火星温暖潮湿的环境远比我们想象的持续时间更长。

美国纽约州立大学石溪分校地球化学家乔伊尔・霍洛维茨（Joel Hurowitz）领导研发团队正研究盖尔陨石坑中100米岩石层的化学成分，这些岩石内的化学物质可以表明它们形成的条件。为了重新构建火星过去的气候，霍洛维茨及其研究团队测量了每层岩石中的铝含量，以及容易溶解的钠和钙等矿物质含量。

在温暖的条件下，水能更好地溶解矿物质，并对岩石进行化学改造。因此，如果岩石层中含有大量的铝，但钠和钙不多，表明它是在温暖环境下形成的。而在冷水环境下，化学反应不够活跃。有鉴于此，钠和钙含量较高的岩层表明它们也在凉爽条件下形成的。

这些岩石表明， 火星上最初是凉爽的，随后变得温暖而潮湿。最终，由于大气的大量损失，火星表面的水干涸了。但新的研究结果显示，火星上保持温和气候的时间远比科学家预期的更长。此外，湖泊中沉积岩的上层充满了氧化剂，而更深的层次含有还原剂。这两种类型的分子可共同为假设存在的火星生物提供摄取能量的食物。

图2：夏普山位于盖尔陨石坑的中心，好奇号探测器目前正在探索这个区域。

这个湖泊还提供了各种生态位，即地球上的微生物蓬勃发展的环境。浅水部分含有大量的溶解氧，更深的部分则被剥夺氧气，万物生存在两者之间。霍洛维茨说：“这个湖预示了各种微生物生命存在的可能性，前提是它们真的曾经存在过。”至于这些生命是否在火星上进化，那不是好奇号探测器可以回答的问题。

好奇号火星探测器正在确定火星上何时何地支持生命生存，这将有助于美国宇航局的Mars 2020探测器执行任务，它将在未来几年内寻找火星上存在生命的真实证据。霍洛维茨表示：“我们已经通过好奇号探测器了解了许多有关火星的知识，并在考虑如何开展新的搜索生命线索任务。”

虽然这项研究的结果很有意义，但霍洛维茨称他仍然感到惊讶。他说：“我没想到能够如此详细地理解这个35亿年前存在的湖泊的化学条件，这实际上是个非常类似地球的环境。”

另有研究显示，火星上的海洋可能比我们想象的广阔得多。早在2015年，好奇号探测器在火星表面漫步时，曾挖掘和筛选土壤，看看它能发现什么。到今年4月份，好奇号已经发回了证据表明，液态咸水存在于火星表面之下。这显示，晚上土壤可能收集到水分，然后在白天蒸发。在那之前，有证据显示寒冷星球上存在冰冻裂缝，那里的温度即使在夏天也可降至零下90度。然而水中含盐量高可能允许水以液体的形式存在，即使在这样的低温环境下。

所以，我们知道火星上存在冰冻的水体，在某些时候甚至可能有液态海洋。来自北伊利诺伊大学的地理学家们正估算需要多少水才可以填满这些海洋。特别是，他们研究了需要多少水才能“雕刻”出火星表面的山峰和波谷。该理论的基础源自这样的猜测：火星曾经有海洋，海水蒸发然后降雨在山谷中，这种水文循环类似于地球。

考虑到山谷形成的时间（超过三十亿年），罗伟（音译）教授和他的同事们开发了算法来帮助评估。使用高分辨率成像技术，他们能够根据颜色识别出山谷的大小。罗伟说：“我们对火星山谷网络的总体体积和雕刻这些峡谷所需水量的最保守估计，至少都是以前估计的10倍。”

事实上，根据他们的计算，需要相当于山谷体积4000倍的水才能雕刻出当前景观。罗伟说：“这意味着水必须通过火星山谷系统多次循环，并且需要大量的开放水体或海洋来促进这种活跃的循环。我认为早期的火星与我们在地球上的情况相似，那里也有海洋、湖泊、河流和降雨。”

罗伟等人还称，以前试图估计火星水量都是基于“本地位置”进行的。研究人员们称：“我们采用了一种创新的渐进式变换方法，在全球范围内根据每个山谷的深度来估计它们。”因此，由此产生的火星气候图片考虑到山谷周围每个支流和溪流的情况。他们认为，由此产生的结果“与火星上早期存在温暖潮湿的气候和活跃的海洋水文循环相一致”。

然而，这个谜为何困惑了人们如此之久？罗伟在声明中指出，火星离太阳更远，几十亿年前太阳照射已经不那么强烈了。根据今天使用的气候模型，火星不可能总是如此炎热，形成以蒸发和降雨为基础的水文循环。这是这个假设的最大漏洞，所以在本质上，我们还无法确定火星上是否存在液态海洋，更不用说北伊利诺伊大学团队所提出的海洋规模了。

关于火星如何变暖仍然是个谜，但科学家认为这可能与火山、外层空间的影响或与行星的倾斜有关。但是，火星环境发生极端转变，从古时候的温暖潮湿到今天的寒冷、干燥、荒凉，似乎与大气逃逸到太空中摆脱不了关系。随着好奇号探测器继续攀登夏普山，它将有机会研究更多的古湖岩石层，并提供更多关于这个星球的历史线索。