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火星海洋假說

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藝術家根據地質數據描繪的古代火星及海洋的想像圖。
火星北半球藍色低地區被假設為原始液態海洋所在地[1]。

火星海洋假說（Mars ocean hypothesis）指出，在火星早期地質史中，近三分之一的火星表面都被液態水海洋所覆蓋[2][3][4] 。這片被稱為「古海洋」[1]和「北大洋」[5]的原始海洋大約在41-38億年前期間，可能淹沒了北半球位於行星平均海拔4-5公里（2.5-3英里）以下的北方大平原盆地。這片海洋存在的證據包括類似古代海岸線的地理特徵以及火星土壤和大氣的化學性質[6][7][8]。早期的火星需要更稠密的大氣層和更溫暖的氣候，才能讓液態水留在表面[9][10][11][12]。

觀測證據史

1976年，海盜號軌道器展示的特徵揭示了極地附近兩條可能的古老海岸線，阿拉伯和都特羅尼勒斯海岸線，每一條都長達數千公里[13]。目前火星地理中的一些物理特徵表明過去存在一座原始海洋。匯入更大河道的沖溝群意味著受到液體介質的侵蝕，類似於地球上的古河床。寬25公里、深數百米的巨大水道似乎將南部高地的地下含水層水流引向了北部低地[9][4]。火星北半球大部分地區的海拔比其他地區要低得多（火星分界），而且非常平坦。

這些觀察結果促使許多研究人員積極尋找更古老海岸線的遺蹟，並進一步提出了曾存在這一海洋的可能性[14]。1987年，約翰·布蘭登堡（John E.Brandenburg）發表了他稱之為古海洋的原始火星海洋假說[1]。海洋假說很重要，因為過去存在的大量液態水會對古代火星氣候、行星宜居性以及過去火星生命證據的尋找都會產生重大的影響。

從1998年開始，科學家麥可·馬林（Michael Malin）和肯尼斯·埃德吉特（Kenneth Edgett）著手在火星全球探勘者號上使用解析度比海盜號軌道器高出5到10倍的高解析度攝像機進行調查，這些攝像機將勘測科學文獻中其他人所提出海岸線的地方[14]。但他們的分析充其量也沒有定論，報告說，海岸線的海拔高度從一座山峰綿延數千公里至下一座山峰，起伏相差數公里 [15]。這份報告非但讓人懷疑這些特徵是否真的標誌著一道消失已久的海岸線，反而被視為反對火星海岸線（和海洋）假說的論據。

1999年，精確測定了火星所有部分高度的火星軌道器雷射高度計（MOLA）發現，火星上海洋的分水嶺可能覆蓋了該行星四分之三的地區 [16]。2005年通過對北方大平原中海拔2400米以下獨特的隕石坑分布類型研究，研究人員認為侵蝕涉及了大規模的升華，這一地區的古海洋容積達到6 x 107公里3[17]。

2007年，泰勒·佩倫（Taylor Perron）和麥可·曼加（Michael Manga）提出了一種行星物理模型，該模型在對火山作用引起質量再分配造成的「真極漂移」作調整後表明，1987年約翰·布蘭登堡首次提出的古海岸線[1]符合這一標準[18]，這些起伏的古海岸線可用火星自轉軸的運動來解釋。由於離心力導致自轉體和大型旋轉物體在赤道處隆起，極地漂移可能導致了海岸線高度以類似所觀察到的樣式變化[13][19][20]，但他們的模型並沒有解釋是何導致了火星自轉軸相對於地殼的移動。

2009年發表的研究表明，河道的密度比以前估計的要高得多，火星上河谷最多的地區與地球上發現的情況相媲美。在這項研究中，研究小組開發了一項電腦程式，通過在地形數據中搜索U形結構來識別河谷[21]，發現的大量河谷系統有力地支持了火星過去的降雨，火星河谷的全球分布模式也可用一座浩瀚的北方海洋來解釋。北半球的大洋還解釋了為何河谷系統會有一道自然的南部界限：火星最南端地區離貯水區最遠，降雨量很少，也不會形成河谷。同樣，降雨的稀少也可解釋為何火星河谷由北向南會逐漸變淺[22]。

2010年對火星上河流三角洲進行的一項研究顯示，它們中有17處位於擬議海岸線的高度[23]。如果這些三角洲都靠近一片大型水域，則就確如預期所料[24]。在德克薩斯州一次行星會議上的研究表明，敘帕尼司谷扇形複合體是一處具有多條水道和地垛的三角洲，形成於一片大型靜止的水域邊緣。那片水域是一座北方海洋，而該三角洲就位於克律塞平原附近北部低地和南部高地之間的火星分界上[25]。

2012年發表的研究使用了火星快車號軌道飛行器上的「地下和電離層高新探測雷達」(MARSIS)數據，該儀器的測量結果揭示了區域地表的介電常數類似於低密度沉積物、大塊地面冰沉積物或兩者的組合，與富含熔岩的表面不同[26]，支持一座已消失的大型北方海洋假設。

2015年3月，科學家們表示，有證據表明，遠古時期火星北半球的水量可能構成了一座約相當於地球北冰洋大小的海洋[27][28]。這一發現源自從望遠鏡觀測到的現代火星大氣層中水與氘的比率與地球上這一比率的比較。據推測，火星極地沉積物中的氘含量是地球上的八倍（VSMOW-維也納標準平均海水，水的同位素標準），表明古代火星的含水量明顯更高。從地圖獲得的代表性大氣值（七倍於維也納標準平均海水值）並不受當地火星車測量的氣候效應影響，儘管望遠鏡的測量值也處於 「好奇號」火星車在蓋爾撞擊坑測得的5–7倍的富集範圍內[29]。早在2001年，美國宇航局遠紫外分光探測器對火星上層大氣層中分子氫與氘比率的研究表明，原始火星上存在著豐富的水[30]。

一直在火星軌道上進行測量的火星大氣與揮發物演化任務探測器提供了可能存在過海洋的進一步證據：火星曾有一層更稠密大氣層。發表在《科學》雜誌上一篇論文的主要作者布魯斯·捷克斯基說道「我們已經確定，火星大氣層中的大部分氣體已消失在太空中」[31]。該研究主要基於氬氣的兩種不同同位素[32][33]。

考慮到在距太陽1.4-1.7個天文單位的火星上使水保持液態所需的高溫室效應，這片液態水域存續的時間仍屬未知。現在認為，曾充盈河道峽谷的火星海洋在諾亞紀末期消失，期間，地表被凍結了約4.5億年。而後，大約在32億年前左右，峽谷下方的熔岩加熱了土壤，融化了結冰物質，形成綿延數百公里的巨大地下河流，這些水流通過巨大的洪泛噴發到現在乾燥的地表上[4]。

2016年5月發表了有關北方遼闊海洋的新證據，一支大型科學家團隊描述了伊斯墨諾斯湖區部分地表如何被小行星撞擊海洋所引發的兩次海嘯改變的過程，這二次撞擊都被認為強烈到足以形成直徑30公里的隕石坑，第一次海嘯沖走了汽車或小屋般大小的巨石，來自巨浪的回流通過重新排列巨石形成了水道。第二次海嘯發生於海平面低於300米以下時，此次的海嘯挾帶了大量被拋落在河谷中的冰塊。計算表明，海浪平均高度為50米，但從10米到120米不等。數值模擬表明，在海洋的這一特定區域，每隔3000萬年就會形成兩座直徑30公里的撞擊坑，這意味著一座巨大的北方海洋可能已存在了數百萬年。而反對海洋論的理由是缺乏海岸線特徵，這些特徵也有可能已被歷次的海嘯沖走。該項探究中已研究過的部分是克律塞平原和阿拉伯高地西北部。這些海嘯影響了伊斯墨諾斯湖區和阿西達里亞海區的部分地表[34][35][36]。造成羅蒙諾索夫撞擊坑的撞擊已被確認為是海嘯的可能發源地[37][38][39]。

  • 高解析度成像科學設備顯示的海嘯回流形成的河道，海嘯可能是由小行星撞擊海洋所引發的。
    高解析度成像科學設備顯示的海嘯回流形成的河道，海嘯可能是由小行星撞擊海洋所引發的。
  • 高解析度成像科學設備顯示的被海嘯捲起、搬運和拋落的巨石，巨石大小介於汽車和房屋之間。
    高解析度成像科學設備顯示的被海嘯捲起、搬運和拋落的巨石，巨石大小介於汽車和房屋之間。
  • 被海嘯侵蝕的流線型岬角。
    被海嘯侵蝕的流線型岬角。

2017年報告的研究發現，形成火星河谷網道、溢出河道和三角洲沉積物所需的水量大於火星海洋的容積，火星海洋的估測容積從3米到2公里不等的全球等效層，這意味著火星上有大量的水[40]。

2018年，一組科學家提出，火星海洋出現得非常早，早於塔爾西斯或與之同時出現。塔爾西斯的總重量會形成深盆，但如果海洋在塔爾西斯形成深盆之前出現，那麼所需水量就會少得多。此外，海岸線也將變得不規則，因為塔爾西斯仍在增長，從而改變了海洋盆地的深度。當塔爾西斯火山噴發時，大量的氣體被添加到大氣層中，導致全球暖化，使液態水得以存在[41][42][43]。

2019年7月，有報道支持稱火星上的一座遠古海洋，可能是隕石撞擊造成羅蒙諾索夫撞擊坑時所產生的特大海嘯之源[44][45]。

理論問題

原始火星氣候

火星表面液態水的存在需要一層更溫暖、也更稠密的大氣層，而現今火星表面的大氣壓僅超過最低海拔處水的三相點（6.11百帕）；在海拔更高的地方，純水只能以固體或水蒸汽的形式存在。目前火星地表的年平均溫度低於210 K（攝氏-63°/華氏-82°），大大低於維持液態水所需的溫度。然而，在火星歷史早期，它可能擁有讓液態水保留在表面的更有利條件。

2001年6月沒有沙塵暴的火星（左圖）和2001年7月全球沙塵暴的火星（右圖），火星全球探勘者號拍攝。

早期火星的二氧化碳大氣厚度與今天的地球相似（1000百帕）[46]，儘管早期太陽很黯淡，但如果有少量甲烷[47]或二氧化碳冰雲[48]的隔熱作用支撐，厚厚的二氧化碳大氣層所產生的溫室效應足以將表面平均溫度升高至水的冰點值以上。此後，大氣層因風化作用以碳酸鹽形式固存在地面而減少，並通過濺射（由於缺乏強大的火星磁層而直接與太陽風相互作用）而散失到太空[49][50]。一項通過火星勘測軌道飛行器對沙塵暴進行的研究表明，火星上10%的水分流失可能由沙塵暴所造成。據觀察，沙塵暴可以把水蒸氣帶到很高的高空。然後，來自太陽的紫外線通過一種稱為光解的過程將水分解，水分子中的氫隨後逃逸到太空中[51][52][53]。

火星的傾角（轉軸傾角）在地質年代中變化很大，對行星的氣候條件產生了很大影響[54]。

化學

對化學因素的考慮可進一步深入了解北方海洋的特性，由於火星大氣層中主要是二氧化碳，人們可能會期望在火星表面找到大量證據，證明碳酸鹽礦物是海洋沉積的殘留物。火星太空任務尚未探測到豐富的碳酸鹽。然而，如果早期海洋是酸性的，碳酸鹽就不可能形成[55]。 兩處登陸點土壤中磷、硫和氯的正相關係表明，它們混合於一處大型酸性水域中[56]，熱輻射光譜儀檢測到的赤鐵礦沉積物也被認為是過去液態水的證據[57]。

海洋的命運

考慮到火星上有一座巨大的原始海洋，水的命運就需要解釋。當火星氣候變冷時，海洋表面就會結冰。有一種假設認為，在平坦的北方大平原上，部分海洋仍然處於冰凍狀態，被埋藏在一層薄薄的岩石、碎屑和塵埃之下[58]。水也可能被吸入進地下冰層中，或（通過升華）流失到大氣層[3]中並最終通過大氣濺射進入太空[49]。

替代解釋

科學家們對原始火星海洋的存在仍有爭議，火星勘測軌道飛行器上的高解析度成像科學設備在古海床遺址上發現了應該只含有細粒沉積物的大巨石[59]，但這些巨石也可能是從冰山上掉落的，這種過程在地球上很常見[60][61]，因此，一些被解釋為古海岸線的地貌受到了挑戰[62][63][64]。

2021年9月發表的一項研究比較了在不同天體岩石中發現的鉀同位素，提出火星表面的重力太低，無法保留足夠的水來形成一片巨大的海洋[65]。

替代地表沖溝和河道形成的理論包括風蝕[66]和液體甲烷[57]。

火星海洋假說的確認或反駁尚有待未來火星任務的更多觀測證據。

另請查看

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