本文最初发表于 Knowable Magazine。
载人登陆火星的征程已经开始：美国总统唐纳德·特朗普在今年的就职演说中 谈到了这一点。如此史诗般的壮举将有助于回答关于这颗红色星球的基本问题，包括最重要的一个问题：火星曾经孕育生命吗？现在还存在吗？
这些问题的核心是液态水——生命的载体——在火星上的状况。现在毋庸置疑的是，火星上曾经有水流淌，但水的量有多少，甚至为什么会这样，仍在争论之中。更有争议的是，即使在今天，液态水是否可能潜藏在火星的某个地方。
科罗拉多大学博尔德分校
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科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家 Bruce Jakosky 研究火星近 50 年，从其深邃的内部到地表：他曾作为本科生参与了 1976 年的海盗号任务，并且此后一直参与多个 NASA 火星项目。Knowable Magazine 采访了他关于在火星上寻找 水的历程，他曾就此主题撰写过关于《地球与行星科学年度回顾》的文章。
本次访谈已编辑以适应篇幅和清晰度。
人们对火星上水的认识是如何随着时间推移而改变的？
在上个世纪末，天文学家 Percival Lowell 进行了一项分析，表明火星上有运河，这些运河一定是智慧生命创造的。他因此登上了《纽约时报》头版，谈论的不是是否有运河和是否有智慧生命，而是它们可能会是什么样子，以及我们如何与之交流。那是一个截然不同的时代。
他的观点从未被天文学界接受；人们一直认为那是视觉的错觉，将事物连接起来，使其看起来像火星上有直线。当我们最终向火星发射探测器时，我们没有看到任何与他的运河地图相符的地貌。
从 20 世纪 40 年代开始，天文学家能够进行测量，开始告诉我们火星环境的实际性质。当 第一艘探测器 于 1965 年飞掠火星时，我们确定大气压力仅为六毫巴左右，平均温度为零下 50 摄氏度。这表明液态水不稳定；如果我把一桶水放在那里，它需要一段时间，但它会结冰或蒸发。
这些是关于火星可能仍然是一个温暖、湿润星球的设想的最后棺材钉。但这并没有扼杀火星生命的希望。
火星任务并未发现外星人建造的运河。但它们发现了大量看起来像是被液态水侵蚀的地貌。就在最近，有 头条新闻 称，好奇号火星车于 2022 年拍摄的图像显示了古代无冰湖泊的涟漪；最近，还有关于古代海洋 海岸沉积物 的消息。
关于 43 亿至 35 亿年前火星上有液态水的证据现在非常有说服力。我们看到了古代湖泊存在于撞击坑内的丰富证据——我认为现在有数百个。最具说服力的证据是在杰泽罗撞击坑：水流入湖泊的地方，沉积了一个由水带来的 三角洲，即沉积物扇。
我们还看到了 山顶冰川 和看起来像河流支流系统的 河谷网络。我们还看到了 灾难性洪水河道 中从地壳中喷涌而出的水的证据。它们释放了大量的水。火星上还有一些矿物质，需要水才能形成。
三四十亿年前的火星是什么样的？
当时的温度一定足够温暖，能够容纳液态水。但我们不知道具体有多温暖。也不知道为什么会更温暖。但除此之外，我们真的掌握了它（笑）。
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我们当然需要一种温室气体来温暖一个行星，二氧化碳是一种很棒的温室气体，所以我们认为当时一定有更多的二氧化碳。但是 40 亿年前的太阳比现在暗了 30%，而在我们的计算机模型中，你无法在大气中注入足够的二氧化碳来提高温度。所以，你需要一种额外的温室气体来考虑在模拟中。我们正处于“让我们选择一种气体，问需要多少，然后问，‘这是否可能？’”的阶段。
此外，火星 极轴的倾斜度 会随着时间而变化。这对气候有什么影响？我们不知道。
火星上总共有多少水？
我 2024 年的论文 计算，如果你将火星上曾经存在过的所有水都摊开，可以覆盖地球表面约 380 米至 1970 米（0.2 至 1.2 英里）的均匀层。相比之下，地球上同等数量的水会形成约 1400 米厚的层。这并不是一个完全公平的比较：对于火星来说，这是所有时间的水加起来的总和，并非同时存在于地表。而在地球上，今天大部分水仍然在海洋里。
很久以前，火星比今天湿润得多。但即使在其最湿润的时候，火星地表可能仍然非常干燥：在这些带有径流河道的山谷网络中，每平方公里的河道数量与地球上一些最干旱的地区，如撒哈拉沙漠，相似。
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那么今天——火星上现在有多少水？
有大量的冰存在。在极地，轨道探测器发现了厚达数公里的冰；我们可以通过光谱仪确定它是水，并通过雷达看到其结构。如果将这些冰均匀地铺开，大约会形成 20 到 30 米厚的层。中纬度地区也有一些冰。
大气中有微量的水蒸气，比地球少几个数量级。但它可以形成 云，影响温度，影响气候。有一个强大的水循环：它可以下雪，但太冷不能下雨。
最大的不确定性是，在地壳 深处 是否有水存在。我们认为那里应该有水，因为它会从早期潮湿的环境（地球上也是如此）渗透到地壳中。我们可以估算那里可能存在的水量——可能占火星总水量的近一半。但我们不知道它是否真的存在。
所有的水都去哪儿了？
来自大型溢流河道的所有水都流向了北部低地的某个地方，这会形成一个巨大的湖泊——那个湖泊发生了什么尚不清楚。它蒸发了，还是在原地结冰并被尘土覆盖了？我们不知道。
数十亿年前火星上的许多水已经融入矿物之中。我们 计算，如果将所有古代的水都铺开，至少有 110 米厚的量已经散逸到太空中。
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为什么会有如此多的水散逸到太空中？
我们以前认为主要驱动因素是火星 失去了磁场，这导致大气层流失，从而使水被剥离。我们现在知道这比那复杂得多。我们仍在努力解决这个问题。
火星上今天还存在 *液态* 水吗？
这是百万美元的问题。在中低纬度地区，我们认为土壤中存在微量的液态水，被矿物质稳定。在 20 世纪 90 年代的凤凰号着陆器上，我们看到了着陆时扬起的 水滴。然而，这些水的量低于地球生命所需的量。
可能存在地下卤水。但考虑到低温，需要大量的盐，以及非常特定的盐成分，才能使液态水在表面稳定存在。由于我们尚未探测到，我们不知道它可能是什么样子。
关于是否在 南极冰盖下方 检测到液态水层，已经讨论了好几年。这是来自欧洲的雷达仪器得出的结论，他们的解释是，在一公里深处，一定有一层液态水。但这一直存在很多争议，所以我还不能接受。
我们还看到了被称为“季节性斜坡纹线”的地貌：沉积物 看起来像是向下延伸的暗条纹。轨道探测器拍摄了它们出现前后时的照片。这些可能由快速上升的地下水供给，或者是在夏季少量融化的冰润滑了流动。但这些地貌的水源起源尚未被接受。它们可能是干性雪崩。我们在火星和其他行星上看到了许多在地球上没有良好类似物的东西。
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如果你想寻找液态水，你会去哪里寻找，又该如何寻找？
如果我想寻找近地表的较多液态水，我会寻找 近期火山活动；我们可能会发现热液喷口。我们知道火山活动一直活跃到地质学上的近期，也就是说过去几百万年。我们没有看到活跃的火山活动，但这并不意味着它不存在。
在地壳中，如果深入 2 到 3 公里，地热会使温度升高到冰点以上。它可能存在于微米到毫米大小的孔隙中，但这仍然可以累积成相当量的水。
你可以进行电磁探测，就像在地球上探测液态水一样。所以，如果你把一个火星车放下，让它绕一个圈，铺设一公里或几公里的电缆，你可能就能探测到深层的液态水。我知道有人在考虑，但还没有机会提出这样的任务。
地球上生命存在的证据可以追溯到 40 亿年前。那么，火星当时也有生命的几率有多大？
这就是问题所在。古代火星满足生命的环境要求：液态水；可获取“生物源”元素，如碳、氢、氧、氮以及十几种其他元素（这些元素至今仍存在）；以及来自化学反应的能量来源。火星都具备。
我的猜测是什么？要么有，要么没有，所以一定是 50/50（笑）。我拒绝猜测。火星满足条件。它可能孕育了生命。我们唯一知道的方法就是去那里，认真地去寻找。
寻找火星生命至今发现了什么？
我们在 20 世纪 70 年代的 海盗号着陆器 上进行过两次尝试。事后看来，那些实验构思不周。它们基本上是基于这样一个前提：我们取一堆泥土，加入液态水和有机营养物质，看看是否会出现指示生命的化学反应。
它们有一些积极结果的迹象，但结果很复杂，最终，共识，即大多数观点是，它并未探测到生命。
但今天我们知道，99.99% 的微生物无法在实验室培养，因为我们已经将它们从环境中取出，并且有些东西是缺失的，我们就是无法让它们生长。那么，我们去火星，加入随机的有机分子样本，并培养出任何生物的可能性有多大？我认为可能性非常小。
来自火星的艾伦山陨石在南极收集。在 20 世纪 90 年代，约翰逊航天中心的一个小组提出该岩石中存在生命证据的观点。那 不再被认为有说服力或令人信服，但我们学到了很多关于如何寻找生命。
什么能让你信服？
你需要多个测量结果，通过不同方式都指向生命的存在。因此，对于古代生命，如果我们发现形态化石、有机分子和同位素证据都表明生命存在，那将是相当有说服力的。对于现在的生命，如果我们能识别出与地球生物截然不同的生物，那么我们就知道那不是污染，不是我们自己不小心从地球带到火星上的。
与月球不同，人类尚未从火星带回任何样本。计划是什么？
有一个计划，让 毅力号火星车 收集样本并带回进行研究。我们将火星车送往了一个我们知道有液态水的地方。
这是一个复杂的任务。毅力号正在收集样本，样本装在香烟长度、一厘米宽的管子里，并放在地表标记明显的位置。然后我们将发射一艘飞船，收集这些样本，将它们放入一个排球大小的容器中，放入火星上升飞行器，然后发射到轨道。之后，另一艘飞船将在行星轨道上收集这个排球，并将其带回地球，但要到 2030 年以后。
中国也在 计划 进行所谓的“抓取式采样”，即着陆，舀起一些东西，可能捡起一块石头，放入火箭，然后送回。
自 1965 年以来，火星任务已经有 20 多次成功任务，包括飞掠、轨道器和着陆器，由许多国家执行。您是 NASA 火星大气与挥发物演化（MAVEN）任务的首席研究员，该任务自 2014 年以来一直在火星轨道运行。它的主要成就是什么？
MAVEN 是唯一致力于理解上层大气和气体向太空散逸的航天器。它非常成功，但我们仍未了解一切。想象一下，试图仅凭少数几次任务来理解地球的历史，而没有数百年的实地研究的优势。
最令人兴奋的即将到来的火星任务有哪些？
据我所知，只有两个即将到来的任务。NASA 的 Escapade——这是一个小型轨道任务——可能会在今年晚些时候发射。它将作为 MAVEN 的补充，研究上层大气。
第二个是 罗莎琳德·富兰克林号。这是 ESA 和俄罗斯的合作项目，原计划于 2020 年发射，后推迟到 2022 年底。在俄罗斯入侵乌克兰的那一年，欧洲航天局退出了合作。他们将所有俄罗斯硬件从航天器上移除，并将发射日期推迟到最早 2028 年。
它是一个着陆器和漫游车。它将要做的一件前所未有的事情是，它将钻探到地表以下 2 米处。在这个深度，任何 有机分子 都将免受银河宇宙射线或太阳粒子的辐射。
我们应该派人去火星吗？
我认为，从科学角度来看，这是必不可少的。他们比机器人航天器能做更多、更快的事情。
科学不是唯一的原因。另一个原因是国家声望。第三个原因是激发人们对 STEM（科学、技术、工程和数学）职业的兴趣。
这是可行的。但它非常困难，而且价格不菲。最少可信的数字是 1000 亿美元。埃隆·马斯克谈到能够在 四年内 送人。我认为这忽略了很多问题，比如生命支持系统、在三年往返任务期间保持人员生存，以及制造足够的燃料返回。我的猜测是，我们还需要 10 到 15 年才能能够派人。
埃隆·马斯克曾说，让我们放弃 月球，直接 前往火星。我不知道特朗普总统会怎么做。
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