火星為什麼是紅色的？
2024-10-13 06:16:44
作者： （美）霍格蘭
然而，到了1984年3月，我們已經把手頭的磁帶資料研究完了，也沒有新的測量數據需要討論，所以，確定火星「編年史」成為當時的主要任務——
包括證實火星過去的環境是適宜居住的。
因此，我在計算機會議上作了一系列名為「關於火星氣候的一些思考」的發言，對火星的地質與氣候史，以及它過去的歷史是如何為火星「智慧生命」的起源與發展提供條件的進行了設想。
與此同時，約翰·布蘭登堡成功地找到了全部可能得到的1976年「海盜號」拍攝的賽多尼亞地區照片，包括4張全新的低解析度照片，覆蓋面積是35A72與70A13的10倍。
3月5日，我們討論其中4張照片的時候，蘭伯特·多爾芬說，SRI的地質學家比爾·比蒂「看過所有存在爭議的照片，而且讀過相關書目推薦的所有與火星有關的著作，他認為那些異常地物有5%的可能性是人造的……」多爾芬接著表示，他本人「根據我目前見到的資料，認為有25%到30%的可能」。顯然，新照片的發現以及通過它們確定了「火星臉」對稱性的事實在某種程度上增強了他的信心。
對於這個問題，我認為我必須公開坦承：
我認為它們是人造的可能性有80%（那時候我的研究已經進行了6個月，而且做了大量的測量工作）。
我的話讓布蘭登堡當天發表了如下觀點：
……我發現我已經不由自主地傾向於得出一個非常肯定（雖然只是初步提出）的結論……根據我的判斷，這個地物（「火星臉」）……是人造的東西。看過我們掌握的最確切的數據後，我認為有極高的可能性。
比布蘭登堡的結論更重要的是他得出該結論所採用的方法：逐條列出各種因素。其中一條因素吸引了我的注意：
……火星表面存在大量的氧化亞鐵和赤鐵礦，使它呈現紅色。與黑色的三價鐵不同，二價鐵只能在含有或者曾經含有大量自由氧元素的環境中才能找到。地球上的二價鐵存在於前寒武紀後期的岩層中，早期的岩層里則沒有。地質學家認為，這標誌著地球大氣從原始狀態過渡到含氧狀態，最初氧氣的來源是水藻。
布蘭登堡的這段話是火星獨立研究在地球化學方面的突破。
雖然完全消化吸收這段話所講的重點需要用好幾天時間……但是當我做到這點的時候，真切地體會到它屬於天才的靈光一現。
布蘭登堡首先提出的問題就與火星過去是否存在有機生命有關：
為什麼火星是紅色的？
後來我在3月12日的發言中說：
我認為我們剛剛經過了本次研究的一個關鍵「分水嶺」：火星上的氧化痕跡（加上我們曾經討論的各種異常地物）有力地說明這顆行星表面一度存在某種生態系統——自然而然會產生自由氧元素（前提是存在液態水與二氧化碳），進而與四處分布在行星表面的玄武質熔岩產生氧化反應。
由於上述概念可能變成駁斥與我們相反觀點的關鍵論據——我們可以要求反對者從地質學角度解釋，為什麼火星環境到處都是高度氧化的痕跡。
因此……該概念為我們的研究開闢了全新的途徑。
……祝賀你，約翰，很高興看到我們每個人都能為此次研究作出關鍵性的貢獻，找到解決謎題的最終方案。
現在，夥計們，我有一個新問題：
火星上的氮氣去了哪裡？
下面是一段簡單的倒敘……
1976年7月20日黎明前，「海盜號」第一著陸器衝進火星平流層，準備最終降落在紅色的「火星沙漠」之中。我們聚集在噴氣推進實驗室的馮·卡爾曼禮堂，緊張地等待著著陸器完成著陸——雖然幫不上什麼忙，只能坐在那裡咬指甲……
距離火星表面20英里的高空，著陸器準備拋掉還在散發熱量的擋熱板，打開降落傘。此時它上面的傳感器在這個高度竟檢測到了微量的化學分子，接著著陸器便從火星軌道加速進入了火星大氣層。與此同時，母艦「海盜號」第一軌道器接收到一條微弱的無線電數據，然後通過自身攜帶的更加強大的發射器將信號轉播到地球。
即使登陸失敗，這條關鍵數據也會平安抵達噴氣推進實驗室控制台的計算機——
給太空時代的火星研究又增加一條亟待破解的謎題……
火星上究竟有沒有氮氣？
地球大氣的75%都是氮氣。從人們浪漫地以為火星是一顆「充滿生命的星球」開始，大家就覺得火星上的氮氣含量一定也像地球上的這麼豐富。
1965年，人類終於獲得了真實數據。
由於地球上的分光鏡無法檢測火星大氣中是否存在氮氣（因為地球大氣可以吸收紫外線以及氮氣生成的光線），所以只好等到第一艘太空船「水手4號」飛臨火星才能知道結果。「水手號」向火星大氣發射無線電波，根據火星大氣中主要氣體對無線電波的反應，由地球上的行星學家遠程測量這些氣體的平均「分子質量」——
然後推測出火星大氣的可能成分。
人們在地球上就已經知道火星那稀薄大氣的主要成分是二氧化碳，但是1965年，「水手4號」在火星軌道上測得的讀數讓所有人震驚：二氧化碳竟占火星大氣的95%多，而氮氣要麼根本沒有，要麼極其微量。
看起來，氮元素能夠稱霸地球並且創造出適合生命起源與進化的宜居條件，可能是人類偶然的僥倖（後來人類發射的金星探測器，包括前蘇聯的一架無人探測器進一步證明，地球充足的氮氣含量在太陽系中具有獨特性）。
那麼，為什麼氮氣如此重要？
因為它在有機分子的形成過程中扮演關鍵角色。有機分子包括胺基酸和蛋白質，它們是地球生物不可或缺的基本成分。而在氮氣比地球少很多的火星上，有沒有出現生命的可能性呢？這也是投資上億美元的「海盜號」計劃想要解決的主要問題之一。
1976年的那個夏夜，雖然有若干分鐘令人窒息的延遲，「海盜號」以光速傳回的信號像美妙的音樂一樣在噴氣推進實驗室禮堂中迴響，響聲中包含著困擾大家已久的那個問題的答案——
火星上究竟有沒有氮氣？
幾個小時之後，經過解碼，科學家宣布了首份火星大氣取樣的檢驗結果，答案是：是的——但是……
但是，火星大氣的氮氣含量只有大約2.5%。
雖然火星歷史上曾發生過地質劇變，導致大氣二氧化碳含量超高，但是氮氣的含量卻遠遠不到地球的一半。
科學家們紛紛開始追問「為什麼」，有人甚至提出一個非常新穎的猜測——火星氮氣消失在宇宙空間裡了。然而，近十年過去了，沒有人真的找到原因。
直到約翰·布蘭登堡指出，「火星是紅色的」。
我衝到計算機終端旁邊，輸入下列文字：
……基於我們目前對火星曾經的地質化學變化的探討，我認為也可以從生物學角度解釋氮氣消失的原因：
火星上的氮元素可能被藍藻（正是它們的光合作用產生了自由氧元素）固化在火星的沉積岩層中，目前正隱藏在遠離地表的地下深處，因此「海盜號」獲取不到樣本。
如果上述推斷正確，則證明火星上曾經存在有機生命體，因為氮元素是胺基酸和蛋白質的重要組成部分，而且，可以根據目前火星大氣中的氮含量推測生物活動持續影響了火星大氣多長時間。
除了可以大致檢測火星大氣的成分外，「海盜號」還能辨別其中的同位素。某種元素及其同位素的質量不同，所以大氣中測得的原子質量也會有細微不同——火星上也是這樣。
「海盜號」所進行的同位素分析是人類唯一有能力實現的火星表面測量工作，它的分析結果成為我們對「火星編年史」的關鍵討論依據，討論內容包括火星生物的相似性，以及更為天馬行空地設想它們是如何消亡的。
哈佛大學的邁克·麥可羅伊博士也是「海盜號」項目組的成員之一。他曾經公布過一份火星大氣分析材料，其中的數據表明火星大氣中含有較重的同位素，如氮15。麥可羅伊博士的結論是：火星歷史早期的大氣層比現在厚得多，是由火山噴發釋放出的氣體形成的。多個世代過去之後，太陽風影響到火星大氣的表層，致使其中較輕的同位素氮14加速逸出，而較重的氮15逸出速度慢一些。根據麥可羅伊博士的說法，「這就是與地球上的兩種氮同位素的含量相比，火星上較重的同位素含量多一些的原因」。
換言之，在幾億年的時間裡，火星大氣受到日冕（雖然是很薄的一層，但是溫度相當高）泄露物質的影響，使得較輕的氮元素被有選擇性地「踢出」了火星大氣，因為它的質量僅是氮15的38%。
麥可羅伊博士初次在噴氣推進實驗室提出上述觀點時，確實讓人耳目一新。而現在當約翰·布蘭登堡對火星的顏色提出質疑，認為火星過去曾經存在生物活動的時候，我不禁想知道，太陽運動導致的火星氮同位素異常會不會也受到生物活動的影響呢？
相對於較重的氮15而言，會不會有微生物將氮14留存在火星上呢？假如沒有出現過留存氮14的生物，與地球充足的氮含量相比，火星上流失的氮元素又去了哪裡呢？
火星氮元素消失，會不會是因為火星過去的生物活動消耗了過多的氮，而同時火山活動的停止無法補充大氣層中流失的氮氣而造成的呢？
受到布蘭登堡「火星為什麼是紅色的」這一突破性問題的啟發，多爾芬也向比爾·比蒂提出相同的問題。他們得出的結論是，根據地球的經驗來看，藍藻能夠釋放氧氣，導致岩石中的鐵被氧化而變紅，說明過去火星上存在類似藍藻的生物。
上述結論進一步說明，現在火星上缺少氮元素的原因也許同樣是過去的生物活動導致的。
有趣的是，這種講故事一樣的討論方式使我們的注意力沒有落在「海盜號」軌道器拍攝的火星照片上，反而更加重視「海盜號」著陸器在火星表面收集的科學數據——大量反映火星現狀的發現，包括火星表面土壤與沙塵的基本組成的關鍵數據，這些都有助於驗證火星過去是否「存在生態圈，而且氣候比現在濕潤」。
把這些資料與「海盜號」軌道器拍攝的同樣重要的照片綜合在一起可以看出，火星歷史上的確出現過顯著的環境變化，而且之前可能有生物存在。
這時布蘭登堡又有了新的重大發現，他從「海盜號」任務結束後學者們發表的大量論文中找到一篇關於「海盜號」的火星表面化學分析的報告，並且在報告中加入了一段簡單概括：
……土壤中含有豐富的磁赤鐵礦、稀有元素（地球上只有紅色大洋黏土中才有）和紅色的氧化亞鐵……還包含鎂、鋁和黃黏土，這些成分來自受到侵蝕的玄武岩。與地球對應的礦藏包括：綠脫石、高嶺石、皂石、硫酸鎂石……地球上的綠脫石一般出現在深海之中……H.馬蘇爾斯基等人認為，過去火星表面有大量流動水，近幾個世代起開始斷流。令人費解的記錄。「沒有灘涂就沒有海洋」，過去需要更高的大氣壓才能使水流……
這段評論讓我印象深刻的地方是，布蘭登堡幾乎是不經意地指出，火星上的富鐵黏土是由「海盜號」著陸器取樣發現的，而且它們通常存在於地球的深海中。
火星上的難解謎題似乎在突然之間都湊到了一起。