在 1972年9月号，《大众科学》采访了卡尔·萨根，探讨了我们那个锈迹斑斑的邻居——火星。在此之前的几个月，NASA的“水手9号”探测器发回了数千张火星地表照片，这些照片提出的问题比解答的还多。这位提醒我们“我们都是星尘”的人，以他标志性的教育性和令人敬畏的方式，剖析了火星的奥秘。祝 卡尔·萨根日快乐！
原始问答全文将在下方重发。
红色星球的变幻面貌：近距离照片揭示动荡的火星
作者：Arthur Fisher
火星是什么样的？直到最近，基于“水手4号”、“6号”和“7号”探测器拍摄的荒凉、侵蚀、布满陨石坑的地貌，人们认为火星是一个死寂的星球，一个地质活动早已停滞的化石世界，没有水，无法维持生命，更像月球而不是别的什么。
现在，“水手9号”改变了这一切。在11月中旬到4月初拍摄的近7000张壮观照片和6月以来几百张照片中，它向科学家们展示了一个截然不同的行星，一个充满超强风、滚滚沙尘暴、高耸火山、巨大裂谷（包括一条比大峡谷更长、更宽、更深的峡谷）的动荡世界，以及预示着近期地质活动剧烈变动的混乱地貌。最令人震惊的是：不仅有许多似乎被奔腾的水流冲刷和塑造的地貌，还有证据表明极地冰盖至少部分由冰水组成。因此，关于火星上依赖水而生存的生命的问题又重新变得活跃起来。
为了解读这一非凡的转变，《大众科学》寻求了一位独一无二的科学家。卡尔·萨根博士是行星研究实验室主任，康奈尔大学无线电物理与空间研究中心的天文学教授。他目前正在加州理工学院休假，并担任“水手9号”电视实验团队变量特征工作组的负责人。除了在NASA的多个咨询小组任职外，他还是：国际太阳系研究杂志《ICARUS》的编辑；国际天文学联合会行星委员会的官员；以及国际空间组织COSPAR的月球和行星工作组副主席。以下采访于今年春天在华盛顿特区进行。
费舍尔：萨根博士，在喷气推进实验室（JPL）接收照片的过程中，有没有某个特别激动人心的时刻？
萨根：每一刻都很激动人心。我的意思是，每天你都会来，有72张新照片供你查看。至少有几张照片展示了你以前从未见过、也从未想过火星上存在过的现象。那是一个科学界极其兴奋的时期。那个时期尚未结束。
费舍尔：就“水手9号”的照片结果而言，对您个人来说，哪些是最有意义的？
萨根：嗯，我认为是风沙造成的剧烈变化的广泛证据；大规模火山活动的有力证据；表明火星历史上的某个不太遥远的时期存在地表水的迹象；极地冰盖消退的细节，表明南极冰盖有一部分在南半球夏季根本没有消失；以及火星两颗卫星——火卫一和火卫二——的首批近距离照片。我想说，这些在我脑海中是最重要的。
变幻的标记
费舍尔：关于变量特征呢？
萨根：自从人们开始用望远镜观察火星以来，就一直可以看到明暗斑纹。19世纪中期，人们观察到这些斑纹有时会随季节变化。大约在1870年，一个流行的理论认为，火星明暗斑纹的季节性变化是由于植被在春夏两季使地貌变暗，当时被认为是冰水的极地冰盖随着气候变暖而部分融化。人们脑海中的模型是藻类爆发，或者可能是加拿大和西伯利亚北极苔原的春季开花。现在，自19世纪以来，这种变化是否真正具有季节性一直受到质疑。但是，正如我们将看到的，“水手9号”确实证实了火星地表存在广泛的变化。
费舍尔：所谓的“运河”呢？
萨根：它们是由乔瓦尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）于1877年发现的，他惊讶地看到火星表面遍布着交织的精细直线网络。一位名叫珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）的美国外交官转行的天文学家对斯基亚帕雷利的发现感到非常兴奋，并在亚利桑那州弗拉格斯塔夫建立了一个天文台来进一步观测。斯基亚帕雷利将他所见的描述为*canali*，意大利语意为“通道”或“沟槽”。但洛厄尔等人将其误译为“运河”，这带有明显的“设计”含义。洛厄尔相信存在一个真实的运河网络，将融化的极地冰盖中的水输送到火星赤道城市中干渴的居民那里。
关于这种猜测，写了大量的书籍。在英语中，埃德加·赖斯·巴勒斯（Edgar Rice Burroughs）创作的一系列十多部小说，以一位名叫约翰·卡特（John Carter）的弗吉尼亚绅士冒险家为主角，他通过站在一片空地上对着行星许愿而得以到达火星。他发现火星上居住着各种各样的生物，包括一些非常像人类的生物。在德国，一位名叫库尔特·拉西维茨（Kurt Lasswitz）的作家写了一部名为《两颗行星上》（On Two Planets）的类似浪漫小说，这部小说在帮助一个名叫沃纳·冯·布劳恩（Wernher von Braun）的年轻人在太空飞行方面培养了浓厚的兴趣方面发挥了作用。因此，洛厄尔对火星观测结果的解释，其意义不在于其正确性——几乎可以肯定它是错误的——而在于它极具戏剧性，并激发了许多男孩和年轻人研究火星，他们以各种方式参与了火星的最新研究。
费舍尔：您是否也受到了类似的启发？
萨根：是的，当我读到埃德加·赖斯·巴勒斯写的约翰·卡特故事时，我也受到了同样的启发。嗯，关于运河的实际情况是，根本不存在“像精细钢蚀刻上的线条”那样的事物，正如珀西瓦尔·洛厄尔所描述的那样。运河似乎是心理生理学问题，而不是天文学问题。当“观测条件”（或大气湍流）很差时，眼睛会倾向于将不连贯的细节连接起来，因为记住一条直线比记住一堆零散的点更容易。过去50年来，最优秀的视觉观测者的观测表明，当观测条件很差时，他们*能够*看到运河。但当观测条件改善到最好时，他们就无法将直线分解为不连贯的细节。因此，即使在“水手9号”拍摄近距离照片之前，大多数研究该课题的天文学家都倾向于相信，实际上并不存在一条横跨数千公里、沿着大圆路线延伸的直线网络。事实上，“水手4号”、“6号”和“7号”探测器几乎没有发现任何类似运河的痕迹。现在，“水手9号”首次提供了火星地表的全面覆盖，除了北极的极小部分外，所有区域都已拍摄到了一公里分辨率的照片。
“人们说火星环境对生命来说过于严酷……这是一个极其狭隘的结论。”
实际上，在各种情况下，火星上确实存在或多或少笔直的线条。但它们远非珀西瓦尔·洛厄尔所想象的那样；它们更像是斯基亚帕雷利所想象的那样，即通道和沟槽，尽管不一定在他绘制的位置。火星不仅有通道和沟槽，它还有一个巨大的裂谷系统，类似于东非裂谷系统，该系统涉及到地球上的大陆漂移。这些火星上的裂谷的构造地质意义极为重大。
费舍尔：这是否意味着这些巨大的峡谷是近期构造活动的证据？
萨根：是的。这些裂谷倾向于围绕着火星上称为塔尔西斯（Tharsis）的极高区域，并从该区域向外辐射，塔尔西斯包含火山破火山口——顶部有洞的很高山脉，是由内部岩浆不断涌出的结果形成的。其中最大的比地球上最大的地貌——夏威夷岛——还要大。我们可以从照片中看到，它们在地质时间尺度上是非常近期的，因为它们没有被陨石坑撞击或被其他形式的侵蚀所破坏。
费舍尔：近期是指数十亿年的尺度吗？
萨根：是的。它们是1000万年前还是100万年前的，我们还不知道。这与其他证据一起表明，火星不是一个古老、死寂的行星，而是在近期具有地质活动，在地球意义上的地质年轻。但让我们回到变量特征。
最初计划向火星发射两艘航天器：“水手8号”和“水手9号”，它们各自有自己的任务。“水手8号”任务失败，坠落在加勒比海，甚至没有发回海洋学数据！由于我们只有一艘航天器“水手9号”，我们的任务并没有针对变量特征进行优化。尽管如此，我们比预期更容易地发现了它们。事实上，“水手9号”是一次巨大的成功。
寻找变化的一个问题是，你可能会在两周的间隔内观察同一个物体，但光照条件不同，如果你忘记这一点，你可能会认为发生了真正的变化，而实际上，这只是不同的太阳或观察角度。航天器的轨道安排使得我们可以在一天或19天的间隔内观察同一区域，而且在这两种情况下，光照角度都非常接近恒定。因此，如果我们看到任何显著的变化，无论是一天还是19天，我们都可以相当肯定地说这是真实的变化，而不是光照条件的结果。
我们确实发现了这些变量特征；它们分为几类。其中一类被称为“斑点”。这些是我们在上次观察时没有看到，但现在出现的暗斑。当它们比陨石坑小时，它们倾向于出现在陨石坑内部。当它们比陨石坑大时，它们倾向于覆盖陨石坑。
我们有一些非常引人注目的案例，我们观察一个区域，看到一系列明暗特征，两周后我们再次观察，旧的特征都在，还有一个*新的*暗特征，而它以前根本不存在。然后我们继续在每一次机会都观察那个区域，只有微小的变化出现。这种时间尺度是绝对典型的。在几天到两三周的时间尺度上，火星上的特征往往会发生变化。我们看到的一些典型变化是暗特征的出现，而它们以前并不存在。
目前，火星上的条件肯定不会过于恶劣，以至于生命无法存在。我们只需要保持开放的心态，直到有更多的数据。
费舍尔：我们总是在谈论至少一公里直径的特征，比如说像扬基体育场那么大的物体吗？
萨根：是的。事实上，我说的是直径十到十五公里，突然出现的特征。例如，有一个特征叫做“矛头”（Spearhead），因为它看起来像矛头。在一张照片中它不存在，在下一张照片中它出现了，并且在所有后续照片中它一直存在。
费舍尔：这种现象可能是什么造成的？
萨根：我提到了一种可能性，这种可能性已经存在一个多世纪了：那就是我们看到了黑暗植被的生长，进入了一个以前没有这种植被的区域。还有另一种可能性，我和我的同事们在过去五年中一直提倡：那就是我们看到了风吹沙尘的体现。我们认为，像“矛头”这样的特征的出现是由于水平风将细小的亮色沙尘吹离地表，露出了下方的暗色物质。而所谓的季节性变化是由于季节性风模式，它们覆盖和暴露了被风吹来的亮色物质掩盖的暗色物质。我们可以从至少在某些时候存在行星规模的沙尘暴看出，沙尘很容易被带到相当远的距离。
费舍尔：这种机制是否不仅能解释斑点的随机出现和消失，而且也能解释所谓的“渐进式变暗波”？
萨根：好的。现在，让我来说说变暗波。之所以这样称呼，是因为一些观测者认为这种季节性变化以大约每天35公里的速度，从极地冰盖向赤道方向呈波浪状推进。几年前，我们进行了一项统计研究，表明这几乎不是一个不变的波浪；它不像钟表那样工作。有时赤道地区比极地区更早变暗。因此，我认为这个术语可能是一个误称。在某种程度上，每年火星上都会出现类似的变暗现象。我认为这是由于相同的风模式的重复——当然，这些风模式与季节有关——覆盖和暴露了暗色物质。
陨石坑尾迹
费舍尔：去年11月在喷气推进实验室，您分析了在火星上扬起沙尘暴所需的风速？您能详细说明一下吗？
萨根：当然。在做这件事之前，我想先说一下火星上另一种类型的变量特征——尾迹。最常见的是从陨石坑发出的尾迹。有一个陨石坑，从它延伸出10到20个陨石坑直径的长度，是一个明亮或黑暗的长尾迹。如果附近有其他陨石坑，它们通常也有与第一个平行的尾迹。有些情况下，我们有30、40或50个尾迹，都平行，都从陨石坑发出，都朝同一个方向。我们认为，至少一些或大部分明亮的条纹代表被困在陨石坑中的亮色物质，这些物质后来被风吹走——这是火星上广泛风吹沙尘的又一个证据。
情况比我描述的要复杂，因为还有从陨石坑出来的*暗色*尾迹。那么，我们是要想象两种物质，亮色和暗色沙尘，暗色沙尘在某些地方沉降，亮色沙尘在另一些地方沉降吗？还是有可能暗色尾迹根本不是尾迹，而是风的阴影？假设一大片亮色沙尘飘过来，并沉积在除了顺风方向以外的所有地方。然后，从“水手9号”看过去，我们看到陨石坑壁下方出现一条暗色的条纹，不是因为暗色物质从陨石坑中吹出，而是因为陨石坑壁阻止了亮色物质的沉积，而我们看到的正是尾迹所在的地方。有些地方我们看到的是陨石坑后面的条纹——不是陨石坑，而是小山丘，这表明行星上肯定存在风的阴影现象。我们认为有相当多的证据表明，风吹沙尘是火星环境的一个非常重要的方面。我们于11月13日到达火星，看到整个行星被沙尘掩盖；沙尘沉降后，我们看到了地表上变化的特征，以及从陨石坑出来的条纹——两者都可能归因于风吹沙尘。
那么，在火星上移动沙尘需要什么呢？火星大气层非常稀薄，比地球的稀薄得多。这意味着你必须更快地移动空气才能让某物向前移动。事实证明，要在火星上移动与你在地球上移动的相同尺寸的沙粒，需要比地球上风速快10倍。如果你相信火星上有任何沙尘被移动，你必须立即假设风……
超强风
费舍尔：您是说，只是把它从表面吹起来？
萨根：只是让它滚动。你有一粒微小的沙粒，它以一个小的角度稍微向上突出于火星表面，风吹过来，让它掉下来。这风速需要多快？根据目前的理论，仅启动火星上的沙粒滚动就需要大约每秒80米的风速。这大约是每小时180英里。这是非常快的风。
费舍尔：这样的风是如何在火星上产生的？
萨根：在地球上，风主要是由赤道比两极热驱动的。空气从炎热的赤道升起，在寒冷的极地落下，这就产生了空气沿着地表从极地到赤道返回，并在高空从赤道到极地循环的模式。在火星上，赤道到两极的温差比地球上更大。没有海洋可以调节温度。火星的年份也更长——687天。因此，温差更大，产生的风也更大。但据我们所知，它们还不够大。这不是激起沙尘暴的超强风的来源。
费舍尔：我想您以前说过，这会产生大约每秒40米的风速。
萨根：是的。计算结果似乎是这样的。所以，如果你让那股风以正确的方向吹，然后另一股风沿着它平行吹过来，那么这两股风就可以叠加，达到每秒80米或更高。但我们认为还有另外两种风在火星上很重要，并且可能更直接地导致风吹沙尘。其中一种是尘卷风。它们在美国西南部很常见——直径只有几米的旋风，卷起沙尘。然后，那股旋转沙尘柱本身会缓慢地越过沙漠。火星上的条件比美国西南部更有利于产生尘卷风，而且火星上的沙尘暴可能是由一系列这样的尘卷风产生的，尽管我们还没有在火星上拍摄到任何尘卷风。
能够产生沙尘暴的另一种风是所谓的斜坡风。这种情况发生在海拔差异与行星大气层特征厚度——火星大气层的尺度高度，约为九公里——相当的时候。现在火星上存在九公里的海拔差异，甚至达到两倍九公里。这与地球的情况截然不同，因为与大气尺度高度相比，地球上的海拔差异通常非常适中。结果是，我们计算出在火星上，存在着一种全新的风，沿着这些高海拔斜坡流动。由于火星的海拔差异相当显著，风速会非常高。事实上，每秒80到100米，仅凭自身就能达到。
生命的机遇
费舍尔：通过这次分析，我们对火星大气条件得到了怎样的认识？
萨根：火星是一个多尘且非常多风的地方，尽管大气层相当稀薄；赤道附近的昼间温度以人类标准来看非常舒适，但夜晚或清晨的温度极低，可能比室温低150华氏度。大气中氧气很少。臭氧也非常少，因此来自太阳的紫外线不像在我们的大气层中那样被吸收，如果没有沙尘暴，它们会相对不受阻碍地到达地表。这对暴露的地球生物来说将构成严重的危险。
将所有这些因素结合起来，过去人们曾说火星环境可能过于严酷，不适合生命存在。在我看来，这是一个极其狭隘的结论。我们和其他人已经进行了实验室模拟所有这些条件的实验。我们发现，即使是各种各样的地球生物也能很好地适应这些条件。它们在微小的岩石碎片下能够承受紫外线，并且在白天温暖的时候，如果土壤中有少量液态水存在，它们甚至可以生长，而这在今天的火星上并非不可能。
费舍尔：您说的是哪种生物？
萨根：我说的是微生物：细菌——孢子形成或非孢子形成的细菌。
费舍尔：但不是像地衣这样的东西？
萨根：嗯，地衣是关于火星生命猜测中的常客，因为它们被认为是坚韧的，但它们在火星条件下一点也不坚韧。如果火星上有生命，那么很清楚的是——除非我们没有对航天器进行消毒而污染了这颗行星——我们发现的生命将与地球上的生命截然不同。至少这是我个人的信念。火星上的生命已经经历了45亿年的独立生物进化。进化中有太多的任意分支点……
费舍尔：……也就是说，45亿年前……
萨根：是的，45亿年前。好吧，生命肯定不是现在产生的。今天的火星条件对于生命的起源来说过于危险。这需要非常受保护的条件。但对于生命的维持来说，它们并不算太危险。火星上生命的起源，就像地球上生命的起源一样，必须发生在很久以前。我的意思是，如果条件像今天一样，地球上生命的起源也无法发生——条件过于恶劣。例如，我们拥有大量的有毒氧气，这会阻止生命的起源。火星在这方面实际上更好，因为它没有那么多有毒气体。氧气会氧化有机化合物。它不是一种好东西。因为我们人类呼吸它，所以我们认为它很棒。这也是一种狭隘的观点。
我关于火星生命得出的结论是，肯定没有令人信服的证据证明它的存在，但同样也肯定没有令人信服的证据否定它的存在。“水手9号”并非为探测生命而设计，也未探测到火星上的生命。维京号任务将是第一次认真尝试寻找火星生命。目前，火星上的条件肯定不会过于恶劣，以至于生命无法存在。我们只需要保持开放的心态，直到有更多的数据。
火星上的水
费舍尔：您提到了水与火星生命的可能性。据我所知，“水手9号”的照片显示了一些看起来像是被水雕刻的地质特征。另一些照片显示了南极冰盖的消退，似乎表明冰盖中至少含有一些冰水。那么，火星上的水问题如何？
萨根：大约100年前，人们很清楚火星极地冰盖是由普通冰，即冰水组成的。因为，还能是什么呢？六年前，人们很清楚火星极地冰盖是干冰，也就是固态二氧化碳。如今，情况显然要复杂得多。火星冬季的温度肯定足够低，可以凝结出二氧化碳。我们知道二氧化碳是大气的主要成分——它必须凝结出来。另一方面，我们现在在火星夏季看到，尽管南极冰盖正在消退，但仍有一部分在整个夏季存在，尽管温度太高，二氧化碳无法保持固态。这表明我们看到的残余部分是水冰盖。因此，如果你在行星上有水和二氧化碳，并且极地温度非常低，那么在极地冰盖处凝结出二氧化碳和水，这并不令人惊讶。然后你加热，首先消失的是二氧化碳，也就是蒸汽压较高的物质。然后，夏季留下的是水冰盖。
我们希望在夏季观察北极冰盖。根据地面观测，我们知道北极冰盖残余的大小远大于南部，表明北极冰盖中的挥发物（可能是水和二氧化碳）比南部冰盖多得多。事实上，北极冰盖中似乎有大量的固态二氧化碳和水。如此之多，以至于如果你能将它们全部汽化，就可以极大地增加火星的总表面压力，使地表水更有可能存在，并通过温室效应，提高表面温度，使条件更加温和。
在火星的历史进程中，是否曾经发生过释放这些二氧化碳和水的自然事件，这是我们许多人正在辩论的问题。我认为这种情况发生在火星的二分点进动过程中，火星历史上存在着与今天截然不同的时期，实际上，我们正在研究的火星正处于一个冰河时代，大约在10000年后，条件可能会变得更温暖、更湿润。在这种条件下，我们可以理解火星上那些看起来像是被流水雕刻出来的地貌：那些看起来像干涸的冲沟、河床，并且用任何其他方式都难以理解。它们构成了一个严重的谜团，因为今天行星上不可能存在大量的液态水。大气压力根本不够大。这与地球上不可能存在液态二氧化碳的原因相同。你有干冰，也有气态二氧化碳。现在，可能是由流水造成的特征的标志是支流，就像你在“水手9号”的一些照片中看到的。支流不是由流动的熔岩产生的，并且除了流水之外，用任何其他方式都很难解释。它们是水假说的关键。
费舍尔：那么，目前的看法是什么？还有其他解释这些照片的假说吗？
萨根：还有一种假说，如下：我无法相信行星上曾经存在过液态水：因此，存在某种我无法理解的其他原因，产生了这种现象。
费舍尔：您称之为B假说吗？
萨根：是的，B假说，X品牌。
费舍尔：那么，就您个人而言，您认为显而易见的解释是正确的，这种可能性大吗？
萨根：是的。我从其他方面提出，在“水手9号”照片出现*之前*就存在这种情况。我自然会被这个假说吸引。
费舍尔：这是否也能在很大程度上支持生命可能在过去某个非冰河时代的时期起源于行星的观点？
萨根：是的。这也意味着火星上的生物可能现在正处于休眠状态。也就是说，如果连续出现大量液态水的时期之间的时间间隔在地质意义上很短，那么生物就可能选择“关门歇业”，熬过漫长的冬天，等待春天的到来。测试这一点的方法是将火星土壤样本放入液态水中，这将是休眠生物或孢子形成者收到“二分点春天已到”信号的提示。届时，这些生物应该开始活动。
费舍尔：萨根博士，我们接下来可以期待“水手9号”带来什么？
萨根：如果航天器正常工作，我们将在夏季拍摄到异常非凡的照片。还有大量的照片处理工作要做，这将揭示出以前看不见的细节。实验之间将有巨大的互动。我相信，在接下来的两三年里，当我们完成这些工作后，一些最激动人心的科学发现将会出现。所以，我认为“水手9号”最精彩的部分根本还没有到来。
费舍尔：“水手9号”恢复工作后将拍摄什么样的照片？
萨根：将有一些用于选择维京号着陆点的照片。我希望会拍摄很多变量特征区域的照片，因为现在我们有了非常长的时间基线。已经过去了许多、许多个月。在这段时间里，发生了什么变化？事实上，在我们3月份停止播送前的几周里，整个行星似乎都在发生变化。我想看看这种情况是否仍在继续。我个人非常期待看到夏末的变量特征迹象。我们将首次看到北极冰盖，这对我之前提到的原因来说非常重要。我们将开始获得一些全球覆盖范围。到目前为止，我们一直非常近距离地观察，只看到邮票大小的画面，然后将它们拼接起来。还有许多非常令人兴奋的事情即将到来，我这里只谈论电视，不包括“水手9号”获取的数千个光谱和其他非常重要的数据。
费舍尔：谢谢您，萨根博士。
