昇華的火星海洋,毅力號登陸點「古耶澤羅湖」——火星特輯(2)

2020年夏天是每26個月一度的火星探測季。這次的火星季特別令人興奮,因為共有3艘太空船正在前往火星的途中!在期待新的探測器帶給我們新發現的同時,就讓本特輯充當導覽員,為您解說火星探索背後的故事以及這顆紅色行星的科學。

火星特輯上一回:毅力號出發冒險囉!但要在哪裡降落呢?NASA你說說看!

2021年二月,NASA的毅力號火星車就會登陸耶澤羅隕石坑(Jezero Crater)。選擇此地登陸的最大原因,是有非常多的證據顯示它曾經是個大湖[1]。在下面隕石坑的地形圖中,可以看到隕石坑的左側邊緣有兩個歪歪扭扭的渠道,水曾經從這邊流入;隕石坑的右方則有另外一個渠道,古湖水可以從這邊流到更低的地方。在左側渠道進入隕石坑的地方,可以看到具有三角洲外型的地表特徵,意味著古河流帶來的沉積物應該還遺留在此。毅力號就是預計來到這邊找尋生命曾經存在火星的證據。

圖1:耶澤羅隕石坑的地形圖。不同的顏色代表不同的高度,單位為公尺。粉紅色橢圓區域為毅力號預計登陸的位置。(改自NASA/Tim Goudge原圖)

雖然知道有古湖泊存在是件令人興奮的事,但是能否找到生命的痕跡,還是得打一個大大的問號。這主要是因為我們對這個湖的出現時間還有持續時間都還不是很清楚。最新的研究指出三角洲最有可能是在35億年前形成的,而且非常有可能還更老[2]。這樣的話看起來是有些機會,因為在地球上的35億年前,生命應該已經存在幾億年了。

然而,湖的持續時間是個大問題。35億年前的火星氣候早已非常寒冷,類似像耶澤羅這種大小的湖泊很容易就會結冰,然後冰會在幾百年內昇華跑光光[*] [3]。幾百年的時間已經足夠形成三角洲[4],但是能形成生命嗎?沒人知道。當然,如果在很長的一段時間內有源源不絕的水供應到湖泊的話就另當別論,不過更進一步的線索就得仰賴毅力號的任務了。

*作者註解:如同水會蒸發一樣,在空氣乾燥時,地表的雪或是冰可以不用先變成液態就轉變成氣態消散在大氣中。雪或冰的昇華在地球上的寒冷區域時常發生,也是為什麼在零下的溫度中曬一件結冰的衣服仍然會乾的原因。

30~35億年前的火星海洋?

慢著,或許你會覺得本來應該就要有「源源不絕的水」供應到湖內才對,因為地球上的湖不都是這個樣子的嗎?

問題還是出在火星當時的氣候。在那麼低的溫度下,水分子無法透過降雨或降雪重新回到湖泊,只會被冰封在高海拔地區。也就是說,火星上的湖泊形成後,就是無止盡的蒸發或昇華,並不能像地球一樣靠降雨來補充水量[3]。有趣的是,類似耶澤羅的古湖泊、河道遺跡在火星上有不少,而且年代都推測在30~35億年前[5]。在火星的北方低地,甚至還有出現被解讀為海嘯的地形特徵[6]。對於「水從哪裡來」這個問題,到目前為止最合理的解釋是:火星冰封的表面被什麼東西打破或熔化了,然後埋藏在下面的地下水就流出來[3][5]。據估計,在這五億年內流出的水量大概可以讓火星變成水深40公尺的海洋星球[5]。問題是這些水可以在表面待多久?是一次性釋放這麼多,還是在五億年間透過間歇性的事件(如隕石撞擊)分段釋放?這些目前都缺少證據來妥善回答,因此到底是不是有(可以存活很久的)海洋或湖泊存在於這個時間點,目前還是炙手可熱的議題。

40多億年前的火星海洋?

不過,「古耶澤羅湖」還有一種可能性,就是它比現在推測的年齡下限還要老得多。如果超過40億年,那就會跟另外一個火星可能有海洋的時期互相吻合。在40億年前,火星非常有可能有著溫暖(大於0度C,XD)潮濕的氣候與大型的海洋。相關的水文作用產生了許多地形上的證據,而且今天仍然可以觀測到,例如:大型峽谷系統、古海岸線等等。雖然這些證據存在許多問題(像是古海岸線的高度不一致等等),但這個時期的火星表面如果有液態水海洋,它的存在時間就可以長得多,並且可能為生命的誕生提供更多的機會。

圖2:40多億年前,火星的北半球可能是一片汪洋,平均深度可能超過100公尺。這些水現在大都已經逸散到太空中,剩下的則是被冰封在火星的表面之下。(NASA/GSFC)

耶澤羅隕石坑本身也有可能在這兩次「火星海洋」出現的期間內被多次填滿[7],這倒是讓古耶澤羅湖沉積物中出現生命的機會高了許多。毅力號的造訪,將可以查明耶澤羅隕石坑過去的地質歷史,也很有可能可以讓我們了解到火星過去的湖泊、海洋到底存在多長的時間。你相信火星過去真的兩度出現過海洋嗎?我們還可以從數十億年的地層之中找到被隱沒的真相嗎?

參考資料/延伸閱讀

[1] 毅力號出發冒險囉!但要在哪裡降落呢?NASA你說說看!——火星特輯(1)

[2] Mangold, N., Dromart, G., Ansan, V., Salese, F., Kleinhans, M. G., Massé, M., …Stack, K. M. (2020). Fluvial Regimes, Morphometry, and Age of Jezero Crater Paleolake Inlet Valleys and Their Exobiological Significance for the 2020 Rover Mission Landing Site. Astrobiology, 20(8), 994–1013. https://doi.org/10.1089/ast.2019.2132

[3] Turbet, M., &Forget, F. (2019). The paradoxes of the Late Hesperian Mars ocean. Scientific Reports, 9(1), 7–11. https://doi.org/10.1038/s41598-019-42030-2

[4] Salese, F., Kleinhans, M. G., Mangold, N., Ansan, V., McMahon, W., DeHaas, T., &Dromart, G. (2020). Estimated Minimum Life Span of the Jezero Fluvial Delta (Mars). Astrobiology, 20(8), 977–993. https://doi.org/10.1089/ast.2020.2228

[5] Head, J. W., Forget, F., Wordsworth, R., Turbet, M., Cassanelli, J., &Palumbo, A. (2018). Two Oceans on Mars?: History, Problems, and Prospects. In 49th Lunar and Planetary Science Conference, 2194.

[6] Rodriguez, J. A. P., Fairen, A. G., Tanaka, K. L., Zarroca, M., Linares, R., Platz, T., …Glines, N. (2016). Tsunami waves extensively resurfaced the shorelines of an early Martian ocean. Scientific Reports, 6(April), 1–8. https://doi.org/10.1038/srep25106

[7] Goudge, T. A., Mustard, J. F., Head, J. W., Fassett, C. I., &Wiseman, S. M. (2015). Assessing the mineralogy of the watershed and fan deposits of the Jezero crater paleolake system, Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 120(4), 775–808. https://doi.org/10.1002/2014JE004782

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