火星湖床与三角洲的遗迹，正诉说着这颗红色星球的湿润往事。然而，科学家布鲁斯·雅各斯基（Bruce Jakosky）指出，诸多谜题仍有待破解。
人类登陆火星的计划正在推进。 今年，美国总统唐纳德·特朗普（Donald Trump）在就职演说中提及此事。这场史诗般的探索或许能解答关于火星的根本谜题，尤其是那个终极之问：火星曾孕育过生命吗？如今火星上是否仍有生命残存？
这些问题的核心，在于火星液态水的存在状态——这团“生命之源”，究竟在火星上如何分布？如今已确凿无疑：火星曾有过流动的水。但水量有多大？水的成因是什么？这些问题仍然存在争议。更具争议性的是：如今，火星上是否仍可能存在潜藏的液态水。
行星科学家布鲁斯·雅各斯基，来自科罗拉多大学博尔德分校。图片来源：詹姆斯·普罗沃斯特（JAMES PROVOST），知识共享署名-禁止演绎协议 (CC BY-ND)
布鲁斯·雅各斯基是科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家，近50年来，他一直致力于火星研究——从深层内核到地表形态。他曾在本科期间参与了1976年的“海盗号”任务，此后参与了多项NASA的火星项目。《Knowable Magazine》对他展开采访，该采访主题也是他近期为《地球与行星科学年度评论（Annual Review of Earth and Planetary Sciences）》所撰写的文章的相关内容。 （注：访谈内容经精简编辑，旨在简化篇幅，使其言简意赅。）
人类对火星水的认知经历了怎样的演变？
大约在上个世纪之交， 天文学家珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）通过分析提出，火星上存在运河，且运河必定是由智慧生命建造的。他的理论登上《纽约时报》头版，那个时代与现在截然不同，讨论焦点不在于是否存在运河或智慧生命，而是这些生命可能是什么形态，人类又该如何与这些火星生物沟通。
他的观点始终未被天文界接受。人们一直认为那些所谓的“运河”属于视觉错觉——火星地表某些纹路相连，形成了类似直线的假象。当探测器最终抵达火星，我们并未发现任何与洛厄尔运河图相吻合的地貌特征。
从20世纪40年代开始，天文学家通过观测，逐渐揭示了火星环境的真实面貌。1965年，首艘探测器掠过火星时，我们测定其大气压仅约6毫巴，平均气温低至零下50摄氏度。这表明液态水无法在火星上稳定存在。如果把一桶水放在火星表面，水过一会儿就会冻结或蒸发。
这些发现彻底终结了“火星是一颗温暖湿润的星球”的幻想。但这并未消灭火星可能存在生命的希望。
火星探测任务并未发现外星人建造的运河，但却发现了许多看起来像是液态水侵蚀形成的地貌。最近，有新闻报道了“好奇号”探测器在2022年拍摄的图像。该图像显示，古代无冰湖泊留下了波纹状痕迹。最新的报道还提到，探测发现了古代海洋的沿海沉积物痕迹。
距今43亿至35亿年前存在液态水的证据已极具说服力。我们在撞击坑内发现了数百个古代湖泊的遗迹。最确凿的证据来自耶泽罗陨石坑。在坑中，水流进入湖泊时沉积了一片三角洲，形成了由水携带的沉积物扇形堆积。
我们还发现了山顶冰川、类似河流支流的河谷网络，同时还有证据表明水从地壳内部喷涌而出，形成了灾难性洪水的冲刷通道。这些洪水释放了大量的水。此外，火星上的某些矿物也需要水的参与才能形成。
大约30亿到40亿年前的火星是什么样子？
当时的温度一定足够高，可以让液态水存在。但我们并不清楚具体温度有多暖，变暖原因亦成谜。不过除此之外，我们对那时的火星环境还是很了解的（笑）。
耶泽罗陨石坑曾孕育着古老的河流三角洲，这是众多揭示火星这颗“红色星球”水文历史的行星地貌之一。这张图像由NASA的“毅力号”火星探测车拍摄。探测车曾对这一陨石坑进行研究，并在尘土飞扬的地表留下了清晰的车辙痕迹。图片来源：美国国家航空航天局（NASA）/ 喷气推进实验室-加州理工（JPL-CALTECH）/ 亚利桑那州立大学（ASU）/ 马林空间科学系统公司（MSSS）
要让星球升温，温室气体必不可少，而二氧化碳就是强效温室气体。因此我们推测，远古火星大气中必定含有更高浓度的二氧化碳。然而，40亿年前，太阳的亮度比现在低30%。在计算机模拟中，即使在大气中加入更多的二氧化碳，也无法将温度提升到足够高。因此模拟中需要引入另一种温室气体——目前我们处于“先选定气体，再计算所需浓度，最后验证可行性”的阶段。
此外，火星自转轴倾斜角度会随时间变化。这对气候产生了什么影响？我们尚不清楚。
火星历史总水量有多少？
根据我2024年的论文计算，若将火星历史上所有水汇聚起来，可在地表形成380至1970米厚的均匀水层。相比之下，地球上的水总量可以形成一层1400米厚的水层。不过，该类比并不完全公平。火星的计算包括了所有时期的水，而这些水并非同时存在于地表。而在地球上，大部分水至今仍储于海洋中。
远古火星虽比现在湿润得多，但即便在最湿润时期，火星的地表仍可能非常干燥。在这些布满径流的河谷网络中，每平方公里的河道密度其实与地球上最干旱地区（如撒哈拉沙漠）相当。
冰川状地貌——在两个山脊间，大量物质似乎曾向下流动，形成冰川状地貌（Glacier-like features），这暗示火星中纬度地区过去可能存在冰层堆积。图片来源：美国国家航空航天局 /喷气推进实验室-加州理工/亚利桑那大学
那么今天的火星上还剩多少水？
如今，火星上的水主要以冰的形式存在。在火星的两极，轨道探测器观测到几公里厚的冰层。通过光谱仪可以确认这是水结成的冰，雷达也能观察到其结构。如果把这些冰均匀地铺满整个火星，可形成20至30米厚的冰层。此外，中纬度地区也发现少量冰。
火星大气中还有微量水蒸气，其含量比地球上的水蒸气低数个数量级。但这些水蒸气可以形成云层，影响温度和气候。火星上有一个完整的水循环系统：可以降雪，但温度过低，无法形成降雨。
最大的未解之谜是：火星地壳深处是否存在水。我们认为水应该存在，因为这些水可能从早期湿润环境中渗入地壳（类似于地球上的情况）。我们可以估算其潜在储量——可能占火星总水量的半数，但尚未确认。
火星上的水都去哪了？
从那些大型洪流通道中流出的水最终汇聚到北半球低地，本可形成巨型湖泊。但其结局尚不清楚。是蒸发殆尽，还是冻结后被尘土掩埋？我们不得而知。
数十亿年前就存在于火星表面的大量的水已经被矿物吸收。通过计算得出，至少相当于110米厚的全球水层（若均匀铺开）已流失到太空。
火星南极的特写图像显示了厚厚的冰盖，推测由冻结的水和凝固的二氧化碳构成。图片来源：欧空局（ESA）/德国航天中心（DLR）/柏林自由大学（FU BERLIN）/比尔·邓福德（BILL DUNFORD）
为什么火星上有大量的水流失到太空中？
我们曾认为，主要原因是火星失去了磁场，导致大气层流失，从而使水被剥离到了太空中。但是现在我们知道，该机制远比想象中更复杂。目前，我们仍在试图弄清水流失的细节。
当今火星上还有液态水存在吗？
这正是关键问题。在中低纬度地区，我们认为土壤中可能存在微量的液态水。这些水可能由矿物固定。在20世纪90年代，“凤凰号”探测器着陆火星时，曾在着陆过程中扬起的尘土中探测了水滴。但这些水的含量远远低于地球生命所需的水平。
火星地下可能存在卤水。但低温环境下，需要高浓度的盐分，以及特定的盐类成分组合，才能让液态水在表面保持稳定。由于我们尚未检测到这些卤水的存在，因此无法确定其具体性质。
关于火星南极冰盖下是否存在液态水层的争议已持续数年。欧洲雷达仪器数据显示，冰盖下1公里处可能存在液态水层。但该结论颇具争议，目前暂不采信。
我们还观测到被称为“季节性斜坡纹线”的地貌，其特征像是沿着斜坡向下延伸的黑色条纹。这些深色条纹会随季节生长延伸。轨道探测器拍摄过其生长前后的变化影像。有一种假设认为，这可能是由快速上升的地下水补给造成的，或者是夏季少量冰融化后润滑了坡面。但其水源成因尚未可知，也可能是干雪崩（dry avalanche）造成的。毕竟火星和其他行星上存在许多地球没有的地质现象。
在一些陨石坑的坡面上，延伸着被称为“季节性斜坡纹线”的暗色条纹。一开始，人们认为这些条纹是由含盐液态水流形成的。但最近的研究表明，它们可能是干旱滑坡的结果。图片来源：美国国家航空航天局 / 喷气推进实验室-加州理工/ 亚利桑那大学
如果想寻找液态水，该去哪里找？怎么找？
如果想在火星表面附近寻找大量的液态水，我会关注最近的火山活动区域。在那里，我们可能会发现类似地球上的热液喷口。已有证据显示，火星地质近期（数百万年内）仍有火山活动。虽然我们还没有直接观测到活跃的火山活动，但这并不意味着它不存在。
在火星地壳2至3公里深处，地热加热会使温度升至冰点以上。液态水可能存在于微米到毫米大小的孔隙之中。虽然单个孔隙的水量不多，但总体加起来可能会形成可观的水储量。
要探测这些深层液态水，可采用在地球上探测液态水时所采用的电磁探测法，即“电磁探测技术”。例如，让火星车铺设千米级的电缆进行环形探测，或许能发现深层液态水。虽有构想，但还没有机会提出类似的火星任务。
地球生命存在的证据可追溯至40亿年前。那么火星上曾经存在生命的可能性有多高？
这是一个核心的问题。古代火星具备生命所需的环境条件：液态水；碳、氢、氧、氮等生命元素（这些元素至今仍然存在）；以及化学反应提供的能量。火星曾经具备以上所有条件。
我的判断？非有即无，非无即有，所以概率各占一半（笑）。我不作猜测。火星满足生命存在的条件，但是否真的有生命存在，只有通过实地探测才能找到答案。
目前火星生命探测有何发现？
70年代，海盗号曾两次尝试寻找火星生命。如今看来，当时的实验设计存在缺陷。那时的实验的基本思路是：取一份火星土壤，加入液态水和有机营养物质，观察是否发生与生命相关的化学反应。
“我们在火星和其他行星上，观测到许多地球上没有的现象。”
——布鲁斯·贾各斯基
当时的观测结果中存在一些积极的迹象，但情况很复杂。最终的主流意见是：“海盗号”并未检测到生命。不过，今天我们知道，在地球上，99.99%的微生物无法在实验室中培养，因为脱离原生环境后，缺失了某些支持微生物生存的关键条件。由此可见，想随机采集火星上的有机物样本并培养出生命，几乎没有可能。
九十年代，科学家在南极洲发现了一块来自火星的陨石（艾伦丘陵陨石）。约翰逊航天中心的研究团队提出，这块陨石中可能存在生命的证据。但该结论缺乏说服力。尽管如此，该研究教会了我们如何寻找生命的痕迹。
什么样的证据能证明火星上存在生命？
要证明生命存在，需要多种测量结果相互印证。例如，针对古代生命，如果发现化石形态、有机分子和同位素证据都指向生命存在，则极具说服力。对于现今的生命，若能识别出与地球生物截然不同的有机体，就能排除地球污染的可能性，证明它是火星本土的生命。
人类已带回月球样本，但尚未将火星样本带回地球。未来计划如何？
“毅力号”探测器目前正在收集样本并计划送回地球。取样地点选在已知曾经存在液态水的区域。这是一项复杂的任务。“毅力号”将样本存放在约一厘米宽、香烟长度的管子中，并将其放置在地表的明确标记点。未来将有一艘航天器负责收集这些样本，装入排球大小的容器，由火星上升器送入轨道，再由另一航天器带回地球。但这一切要等到2030年之后才能实现。
中国也计划开展 “抓取式”采样的任务。探测器会着陆火星，采集一些土壤或岩石样本，装入火箭送回地球。
自1965年起，各国已成功执行20余次火星任务，包括飞掠、轨道环绕和着陆探测。您是NASA“火星大气与挥发性演化（MAVEN）”任务的首席研究员。该探测器自2014年起环绕火星运行。它的主要成就是什么？
MAVEN是唯一专注于研究火星高层大气及气体逃逸到太空的探测器。它取得了很大的成功，但我们仍然没有完全了解火星的历史。想象一下，仅靠少数几次任务，就试图理解一个星球的历史，就像试图用少量研究来了解数百年地球历史一样，其难度可想而知。
在即将开展的火星任务中，哪些最令人期待？
据我所知，接下来只有两次任务。美国国家航空航天局的“逃逸（Escapade）”任务——这是一次小型轨道环绕探测任务——可能会在今年晚些时候发射。它将研究火星高层大气，与“火星大气与挥发物演化（MAVEN）” 的研究相互补充。
第二次任务是“罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）”任务。这原本是欧洲航天局与俄罗斯的一项合作任务，原计划于2020年发射，但后来推迟到2022年底。然而，2022年俄乌冲突后，欧洲航天局退出了这一合作。他们把航天器上的所有俄罗斯硬件都拆了下来，因此发射日期不得不推迟到最早2028年。
这是一项着陆器和漫游车任务。它将要完成一件前所未有的大事，即首次钻探火星表面以下2米深处。在这个深度，有机分子可以免受银河宇宙射线和太阳粒子的破坏。
我们是否应该将人类送往火星？
我认为，从科学角度来看，这是势在必行的。人类可以比机器人探测器完成更多任务，而且效率更高。
另一个原因是国家威望。第三个原因是激发人们对投身科学、技术、工程和数学（STEM）领域职业的兴趣。
这项任务是可行的，但非常困难，而且成本高昂，代价不菲。要想完成这项任务，可信的最低成本预算是1000亿美元。埃隆·马斯克（Elon Musk）曾表示，可以在四年内实现载人火星任务。但我认为，这忽略了许多问题，比如生命维持系统、如何让人类在为期三年的往返任务中生存下来，以及如何制造足够的燃料返回地球。我预测，距离载人火星任务的达成，还需要10到15年的时间。
作者：Nicola Jones
翻译：边颖
审校：7号机
编辑：7号机
本文转载自《中科院物理所》微信公众号
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