[作者更新於 06/12/13：上週宣佈並發表了關於在火星極淺的地下發現當前液態水證據的結果，這對於行星科學家和天體生物學家來說是非常令人興奮的訊息。正如我在下面的文章中討論的那樣，來自最近的探測車和軌道飛行器任務的大量證據表明，在火星早期歷史上存在液態水。水可能在表面和近地表持續存在了很長時間。然而，我指出仍然需要解決的關鍵問題之一是那個潮溼時期的持續時間。液態水在表面或地下能夠穩定存在多久？如果時間很長，那麼火星可能不僅是一個適合生命居住的地方，而且是一個生命可能蓬勃發展甚至隨著環境條件變化而進化的地方。
邁克爾·馬林和他的同事發現了溝壑，這些溝壑似乎在過去十年中曾有液態水流過。這進一步支援了水在火星表面或近地表長期穩定的觀點——事實上，甚至可能持續了整個行星曆史。這一發現的一個含義是，如果生命在早期類地球火星上紮根，那麼水仍然穩定的地下區域可能是生命今天仍然可以存在的“綠洲”。
然而，關於這一發現及其影響，目前尚未有定論。還需要來自其他測量的證實，行星科學家和任務規劃者正在爭先恐後地利用目前在火星軌道上的許多其他儀器來瞄準這些小區域。（不幸的是，這些溝壑地點距離火星探測車“勇氣號”和“機遇號”太遠，無法到達。）儘管如此，今天火星表面如此接近液態水的令人興奮的可能性再次激發了火星和天體生物學界的熱情，進一步推動了對紅色星球潮溼的過去——以及現在！——的持續研究。]
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到 2005 年 2 月，名為“勇氣號”的火星探測漫遊車已經在蓋爾隕石坑中度過了一年多的時間，蓋爾隕石坑是紅色星球表面一個兩公里深、康涅狄格州大小的洞。由於蓋爾隕石坑位於一條比大峽谷還長的古老幹涸河谷的盡頭，因此我們探測車任務團隊的許多人曾預計“勇氣號”會發現隕石坑數十億年前曾充滿水的證據。然而，在探測器著陸的平坦平原上，探測車既沒有發現湖泊沉積物，也沒有發現水曾經在蓋爾隕石坑內流動的其他儲存下來的跡象。探測車拍攝的照片只顯示了塵土、沙子和乾燥如骨的火山熔岩。
但當“勇氣號”到達哥倫比亞山丘的山坡時，一切都發生了變化，距離著陸點約 2.6 公里。（每座山丘都以 2003 年哥倫比亞號太空梭災難中遇難的七名宇航員之一的名字命名。）當“勇氣號”努力攀登丈夫山的西坡時，它的輪子鬆動了岩石，並在火星土壤中挖出了深深的軌跡。在一片特別溼滑的土壤區域，一個被稱為帕索羅布爾斯的地方，輪子意外地揭露出了一些奇特的白色沉積物，這些沉積物與我們在蓋爾隕石坑中以前見過的任何東西都不同。實際上，“勇氣號”在任務團隊注意到帕索羅布爾斯土壤之前就已經開過了；當我們看到我們揭露的東西時，我們做了相當於猛踩剎車並掉頭的事情。
經過進一步檢查，我們確定這些沉積物是富含鐵和鎂的水合硫酸鹽礦物，集中在塵土飛揚的表面之下。在地球上，這些型別的沉積物發現在鹹水蒸發或地下水與火山氣體或流體相互作用的地方。這兩種過程也可能發生在火星上。（儘管科學家在蓋爾隕石坑或火星其他任何地方都沒有發現活火山，但火山噴發肯定發生在行星曆史的早期。）無論哪種假設是正確的，我們都意識到這些埋藏的硫酸鹽可能是蓋爾隕石坑過去潮溼環境的遺蹟。
“勇氣號”的意外發現與“機遇號”探測車在火星另一側的調查以及從軌道上拍攝行星表面照片的小型衛星艦隊的發現相符。幾十年來，科學家們一直認為火星一直是一個寒冷、乾燥、不適宜居住的世界；偶爾洪水的跡象和某些水蝕變礦物被認為是異常現象，代表著發生在非常遙遠的過去，即在紅色星球 46 億年前形成後不久的短暫偏差。但新的探測車、軌道和隕石研究描繪了一幅與許多人甚至在幾年前想象的截然不同的圖景。水顯然在很長一段時間內覆蓋了火星表面的大部分割槽域，當然是在行星曆史的早期，或許也更近。其意義是深遠的：如果類地球環境的時代頻繁且持久，那麼生命在火星上進化的可能性似乎就大得多。
流動景觀
在 20 世紀 70 年代水手號和海盜號宇宙飛船拍攝的火星影像中，人們識別出了河流地貌——推測是由水形成的地質特徵。這些地貌包括災難性洪水沖刷出的巨大通道和大規模的河谷網路，這些網路在某種程度上讓人想起地球上的河流排水系統。在過去的十年中，自 1997 年以來一直繞火星執行的火星全球勘測者號的影像揭示了在一些隕石坑和峽谷壁中形成的極小且看似年輕的溝壑的壯觀例子。這些觀測表明火星表面或地表下過去存在液態水，但不一定存在很長時間。例如，來自災難性洪水的水可能僅在表面持續了幾天或幾周，然後凍結、滲回地下或蒸發。
此外，在海盜號軌道飛行器影像中顯示的河流狀山谷網路在高解析度下觀察時，與地球河流山谷的特徵不同。火星山谷可能完全是由地下水流和地面侵蝕形成的——這個過程被稱為潛蝕——而不是由水在表面流動形成的。在火星全球勘測者號影像中觀察到的溝壑也可能是冰層下地下水滲漏或埋藏的積雪沉積物的結果。儘管這些特徵是火星上有水的令人驚歎和引人注目的指標，但它們並不能確鑿地證明紅色星球曾經擁有一個更溫暖、更潮溼、更像地球的環境，其中有持久的湖泊和河流。
然而，在過去的幾年中，新的衛星影像提供了更有力的證據，證明穩定、類地球的環境在火星上持續了很長時間。最令人興奮的發現之一是一類看起來像河流三角洲的特徵。火星全球勘測者號拍攝到的最好和最大的例子是在一個山谷網路的盡頭，該網路排入位於水手號峽谷系統東南區域的埃伯斯瓦爾德隕石坑。這個排水系統終止於一個 10 公里寬、分層、扇形的地貌，其特徵是蜿蜒的山脊相互交叉並顯示出不同程度的侵蝕。對於許多地質學家來說，這個特徵具有三角洲的所有特徵，三角洲是在一條攜帶沉積物的河流流入淺湖的末端形成的。
像密西西比河三角洲一樣，埃伯斯瓦爾德扇形的結構表明，它生長並多次改變形狀，最有可能對古代源頭河流的流量變化做出反應。如果埃伯斯瓦爾德扇形實際上是一個古代河流三角洲沉積物，被後來的沉積物掩埋，並被最近的侵蝕挖掘出來，那麼這意味著液態水持續地流過火星表面，侵蝕大量的沉積物並將它們向下遊輸送。軌道影像在火星的其他區域揭示了少數類似的扇形，但只有 5% 的行星表面以識別這些特徵所需的解析度拍攝了照片。進一步的軌道研究可能使研究人員能夠檢驗河流三角洲假說，但為了確定水流持續多長時間才能形成扇形，科學家們需要準確測量地貌不同部分的絕對或相對年齡。從軌道上無法確定絕對年齡；相反，必須將這些區域的岩石樣本送回地球進行詳細分析，或者由未來的探測車進行放射性同位素定年。
來自火星奧德賽號和全球勘測者號軌道飛行器拍攝的高解析度影像也提供了火星過去存在類地球氣候的更多證據，這些影像顯示了水手號峽谷系統高原和牆壁上的小規模山谷網路。與之前確定的似乎主要由地下水流形成的山谷網路不同，這些新發現的網路具有與其由降雨或融雪和地表徑流形成相一致的特徵。例如，這些網路以密集的、分支狀的模式排列，山谷的長度和寬度從源頭到出口逐漸增加。此外，源頭位於山脊頂部，這表明景觀是由降水和徑流塑造的。事實上，這些地貌提供了迄今為止最好的證據，表明火星可能下過雨。
火星可能在行星曆史的三分之一時間裡擁有類地球氣候。
一個更具推測性的可能性是，這些徑流特徵出現的時間相對較晚，可能是在火星形成後的 10 億到 15 億年。為了估算火星地貌的年齡，研究人員計算了該特徵上的撞擊坑數量——該區域經歷的撞擊越多，其年代就越久遠。然而，這種定年方法存在許多不確定性；很難區分主要撞擊坑和次要撞擊坑以及火山破火山口，而且侵蝕已經破壞了某些區域撞擊坑的證據。儘管如此，如果這些地表徑流山谷確實被證明相對年輕，那麼火星可能在行星曆史的三分之一時間裡擁有類地球氣候，如果最終確定存在更年輕的山谷，那麼時間可能會更長。
又一個支援火星上持續存在液態水的證據是在行星的許多地方觀察到真正大量的侵蝕和沉積。研究人員根據新的軌道成像資料進行計算後確定，在行星曆史的最初十億年中，沉積物沉積和侵蝕的速率可能比現在的速率高約一百萬倍。（風力侵蝕速率已在“勇氣號”、“機遇號”和火星探路者號探測車的著陸點估算出來。）例如，被稱為子午線平原的區域（“機遇號”正在其中執行的一百萬平方公里區域）被廣泛地侵蝕和佈滿凹坑的外觀表明，大部分地形已被侵蝕剝離並輸送到其他地方。沒有人知道所有這些被侵蝕的沉積物最終去了哪裡——這是火星研究中主要的未解之謎之一——但似乎清楚的是，僅靠風力不可能挖掘出如此多的物質。
在其他地方，例如一些隕石坑的底部以及水手號峽谷中一些峽谷和裂谷的底部和牆壁上，沉積和侵蝕的迴圈顯然形成了巨大的堆疊，由數百層岩石組成，每層岩石厚度在 10 到 100 米之間。最引人注目的例子之一位於 170 公里寬的蓋爾隕石坑內，該隕石坑的地板上有一個巨大的分層、侵蝕的沉積岩中央土墩。土墩中的層、通道和部分埋藏的撞擊坑表明了漫長而複雜的侵蝕和沉積歷史。然而，土墩最令人難以置信的特徵是，它升起的高度幾乎比蓋爾隕石坑的邊緣高出 1 公里。似乎隕石坑和周圍區域完全被大量的沉積物掩埋，然後部分挖掘出來並再次掩埋，可能在很長一段時間內多次發生。自上次掩埋事件以來，沉積物一直在侵蝕，露出了隕石坑的底部，但中央土墩的磨損速度可能較慢，這解釋了為什麼它現在比隕石坑的邊緣更高。
但是，什麼過程能夠輸送埋葬蓋爾隕石坑區域幾乎所有東西所需的大量沉積物呢？科學家們認為流動的水提供了最好的解釋。對地球上侵蝕和沉積速率的研究表明，風力可能在過去移動了部分火星沉積物（就像今天正在做的那樣，儘管速度非常緩慢）。然而，沒有可行的基於風力的情景可以解釋在火星早期歷史上反覆發生的數百萬立方公里物質跨越行星表面大部分割槽域的快速運輸。然而，流動的水通常在地球上移動大量的沉積物，並且也可能在紅色星球上這樣做。
粘土、球果和波浪
除了仔細檢查火星地貌的形狀外，科學家們還在行星礦物成分中尋找液態水的跡象。研究人員長期以來一直認為火星從未經歷過漫長而溫暖潮溼氣候的原因之一是，大部分未被風沙覆蓋的表面似乎是由大部分未風化的物質組成的——原始的火山礦物，如橄欖石和輝石。有人認為，如果水在表面流動了很長時間，它就會化學蝕變和風化火山礦物，產生粘土或其他氧化、水合相（在晶體結構中摻入水分子或氫氧根離子的礦物）。
然而，事實證明，科學家們看得不夠仔細。來自火星探測車的新高解析度軌道測繪資料和近距離表面研究揭示了許多區域中粘土和其他水合礦物的大量沉積物。例如，歐洲航天局火星快車軌道飛行器上的 OMEGA 儀器——特別擅長探測由火山岩風化形成的礦物型別——在表面上最古老地形的無塵部分發現了粘土。根據這些區域中撞擊坑的高數量，它們的年齡跨越了火星曆史的最初十億年的大部分或全部時間。粘土沉積物散佈在整個行星上，在古老的火山表面和撞擊坑密佈的高地地區，其中一些地區顯然是最近才被侵蝕暴露出來的。
新發現的粘土是層狀矽酸鹽——由二氧化矽片組成，水分子和氫氧根離子被困在片層之間的礦物。粘土具有人們期望從已在火星上發現的各種火山岩的水相關風化作用中獲得的各種成分範圍。儘管 OMEGA 迄今為止僅以高解析度勘測了行星的一小部分，但這些礦物的發現是早期火星上存在漫長類地球環境時期的有力證據。
此外，研究人員還在一些火星隕石（被彗星或小行星撞擊從紅色星球噴射出來並最終落在地球上的岩石）中檢測到了被水蝕變的礦物（粘土、水合氧化鐵和碳酸鹽）。科學家們假設水相關風化作用可能發生在地下，因為大多數隕石在被炸入太空之前是火星地殼的一部分，而不是最上層表面。而且由於一些隕石被認為來自火星地殼中相對年輕的部分，調查人員懷疑地下風化作用可能仍在繼續。科學家們或許能夠在正在進行和未來的火星任務中檢驗這一重要假設，或許可以透過尋找活躍泉水或熱液活動的證據。更重要的是，新的著陸器、探測車或載人任務可以配備鑽頭來探索深層地下。
火星探測車的功績為紅色星球的氣候謎題增添了最新的碎片。在帕索羅布爾斯發現的八個月前，“勇氣號”剛剛開始攀登哥倫比亞山丘時，探測車用其礦物識別儀器檢查了一塊多節的岩石，並檢測到赤鐵礦，這是一種高度氧化的鐵礦物，在地球上被水蝕變的土壤中很常見。幾個月後，“勇氣號”發現了層狀矽酸鹽和針鐵礦的證據，針鐵礦是一種沒有水就無法形成的氧化鐵礦物，並且在其晶體結構中保留了水衍生的氫氧根離子。哥倫比亞山丘似乎記錄了火星上古老的水-巖相互作用歷史，這在“勇氣號”在其任務早期調查的年輕火山平原中並不明顯。
當探測車登上丈夫山頂峰，最終沿著另一側向下進入南方的盆地時，它遇到了更多類似帕索羅布爾斯的地下鹽沉積物。不幸的是，我們無法充分研究最廣泛的沉積物，因為隨著季節進入探測車的第二個火星冬季，我們被迫將“勇氣號”移到朝北的山坡上，以便探測車的太陽能電池板上有足夠的陽光來維持機器運轉。如果一切順利，我們將在火星春天返回時將探測車送回鹽沉積物。
與此同時，“機遇號”在子午線平原也取得了同樣驚人的發現。在著陸後的幾周內，探測車發現了古代沉積物，這些沉積物是廣泛分層的、沉積露頭岩石，這些岩石多孔、水合且含鹽。從互補的軌道觀測中，研究人員知道這些沉積物遍佈整個區域。“機遇號”研究的分層露頭表明，這些型別的沉積岩向下延伸數十米（或更多）到地下，表明液態水曾經在地面上存在了很長時間。“機遇號”的結果描繪了火星上水歷史的不同部分。探測車發現的水合岩石主要含有富含硫的礦物，如黃鉀鐵礬，沉積露頭岩石也富含氯和溴以及硫。所有這些元素在水溶液中都具有高度的流動性，這意味著這些沉積物是在鹹味液態水蒸發後形成的。因此，這些露頭可能見證了子午線平原的水池和小溪逐漸萎縮和乾涸的時期。
隨著水域變得酸性化，地質活動減弱，火星環境開始發生變化。
探測車在露頭中發現的毫米大小的、含赤鐵礦的球形顆粒（綽號“藍莓”）也支援了火星上長期存在積水的假設。我們認為藍莓是地質學家所說的結核，即當含鐵或鹽水蒸發時從水中沉澱出來的顆粒。如果過程足夠緩慢且均勻，則生成的礦物顆粒呈球形生長。在地球上，一些結核生長到彈珠或乒乓球大小；在火星上看到的結核平均大小為兩到三毫米，與滾珠軸承的大小相當。隨著“機遇號”從其著陸點向南移動，它發現的藍莓越來越小，這表明潮溼環境的持續時間或水的蒸發速率可能存在差異。
“機遇號”甚至拍攝到了一些露頭岩石，這些岩石似乎保留了淺水中波浪的軌跡。這些“扇形交錯層理組”是由波浪與沙質沉積物相互作用形成的，今年早些時候，當探測車向南穿過平原時，發現了這些組的最佳例子。
新興正規化
來自探測車的結果強調了硫的重要性，硫可能由於行星早期活躍的火山歷史而在火星環境中積累。硫和含硫礦物可以溶於水，由此產生的溶液可能非常酸性。酸性水會破壞許多種類的礦物，特別是碳酸鹽，並且還會抑制其他礦物的形成，如粘土。因此，火星上硫的積累可能解釋了為什麼科學家們尚未在表面發現任何碳酸鹽，以及為什麼粘土似乎只儲存在最古老的地形中。OMEGA 儀器除了在子午線平原之外，還在火星的其他地點檢測到了硫酸鹽沉積物，但總的來說，這些區域似乎比含有粘土的區域更年輕。到目前為止，尚未發現硫酸鹽和粘土同時存在。
新興的正規化是，火星擁有廣闊的潮溼過去：水坑或池塘或湖泊或海洋（或所有這些）長期存在，並且暴露在必然更厚、更溫暖的大氣中。在火星曆史的最初十億年左右，紅色星球是一個更像地球的地方，可能適合我們所知的生命的形成和進化。然而，隨著硫的積累，水域變得酸性化，行星的地質活動減弱，火星環境開始發生變化。當酸雨（某種程度上）繼續蝕變火山岩並分解可能早期形成的任何碳酸鹽時，粘土讓位於硫酸鹽。隨著時間的推移，大氣層變得稀薄；也許當行星的磁場關閉時，它丟失到太空，或者可能被災難性撞擊吹走或以某種方式封存在地殼中。火星最終變成了我們今天認識到的寒冷、乾旱的行星。這一系列事件將解釋為什麼在過去幾十億年中噴發到表面的任何火山岩仍然應該是未風化的和原始的。正是下面較舊的東西，偶然地被撞擊或侵蝕或滑動的探測車暴露出來，掌握著行星過去的鑰匙。
然而，火星的這種新觀點尚未被普遍接受。關鍵問題仍然沒有答案：埃伯斯瓦爾德三角洲的水流持續了多久——幾十年還是幾千年？從子午線平原和蓋爾隕石坑等地方似乎被侵蝕掉的所有沉積物都在哪裡？它們是被水還是風或其他東西侵蝕的？火星上粘土礦物的全球丰度是多少？它們是否曾經是行星地殼的主要組成部分？而且，最令人煩惱的是，在溫暖、潮溼、富含二氧化碳的環境中應該形成的碳酸鹽在哪裡？但這些碳酸鹽尚未在火星的任何地方觀察到，甚至在已檢測到粘土的較老地形中也沒有觀察到！酸性水可能已經破壞了大部分碳酸鹽，但肯定不會全部破壞！
也許所有問題中最重要的問題是，生命是否曾在早期火星上形成，如果是，它是否能夠在環境發生如此巨大的變化以適應當今氣候的情況下進化？答案很大程度上取決於類地球環境持續了多久。我們手中擁有的影像或其他資料，儘管它們令人印象深刻，但都無法為我們提供關於溫暖潮溼時代的持續時間的非常好的約束。我們根本不瞭解火星表面的年齡。事實上，最終可能證明不可能使用撞擊坑的密度來確定一個經歷瞭如此多次大規模掩埋和侵蝕事件的表面的絕對年齡甚至相對年齡。更好的方法是將火星樣本帶回地球進行精確的放射性同位素定年，或者在前往地表的任務中傳送微型定年儀器。在那之前，軌道航天器將繼續尋找關鍵的礦物沉積物，並確定未來著陸器和探測車的最佳地點，這些地點可能有一天會揭示紅色星球潮溼時代的持續時間的無可辯駁的估計。過去十年在火星上的發現可能只是一個更令人興奮的機器人乃至人類探索世紀的一小部分。