本文来自公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：沈梦溪，题图来自：视觉中国
人类观测火星的历史很久，在最早的时候人们主要靠肉眼观察，因为火星外表发红，远看像火，而且仅靠肉眼观测的话它的行踪捉摸不透，因为被中国古人称为“荧惑”，有“荧荧火光，离离乱惑”的意思；再后来阴阳五行学说出现，火星也因其红色而被称为火星。直到现代的天文观测手段发展出来，我们才知道火星原来并没有火，而是一颗红色的行星。
到了上个世纪美苏太空争霸，相继发射了不少火星探测器，这些近距离观察火星的探测器则不断带给我们颠覆性的消息，最初是发现了火星上类似于河网的地貌，然后通过化学手段、物理手段，以及火星登录器实地考察，越来越多的证据实锤了火星上原本就存在大量的水，现在可能依然存在少量的水。
火星上的河口三角洲 图/NASA
火星上河网 图/NASA
这些信息无疑会让我们深入一点去思考这些问题：火星上的水从哪里来？火星上的水又为什么会消失？
一、宇宙中本来就不缺水
关于水的故事，我们要从宇宙的形成开始说起。
现代理论中，宇宙形成于一次大爆炸 图/wikimedia
在目前的宇宙和行星形成的理论中，宇宙大约于137亿年前形成，那时候没有各种行星和恒星，只有无数的电子和质子。这些质子和电子在出现以后很快结合，首先出现的是质量较小的氢、氦、锂、铍等元素，这些小质量的元素结合形成了第一代恒星，在恒星中这些轻的元素进一步聚变形成了更重的元素，比如氢元素聚变形成氦，氦聚变形成碳、氧等元素，碳、氧聚变形成钠镁铝硅之类的元素……
这个过程就好像我们玩过的一款手机游戏——2048：
化学元素版2048游戏
这些不同的元素就在一代代的恒星聚变过程中不断合成越来越多。从这个过程我们就能知道，越轻的元素越多，越重的元素越少，就跟我们玩2048这个游戏是一样的，1024和2048这种大的数字肯定是最少的。而水，则是由氢氧两种质量较低的元素构成的，所以实际上从化学元素上讲，在宇宙中，水根本就不是一个稀罕的东西。
宇宙中排名前十的化学元素丰度表 图/wikipedia
二、火星上水的来历
大约50亿年前，一颗大质量的恒星死亡，在死亡过程中抛出大量的高温星云物质。随后星云围绕中心自转，在这个过程中，99%的星云物质汇聚到星云中心，温度压力越来越大，最终点燃了核聚变，这就是太阳的形成过程。
太阳形成过程示意图 图/Science
太阳形成的同时或者是稍晚一些，部分星云物质冷却凝固下来，形成固态的星子，这个过程中，水就以各种形式间接或直接赋存于这些星子之中，比如单独以氢离子或氢氧根离子形式成为某种化合物的一部分，又或者以结合水的形式赋存于岩石间。随后，这些星子在围绕太阳运动的过程中相互碰撞，越来越少也越来越大，于是就形成了各大行星与小行星。
围绕太阳运动的星子相互碰撞，越来越大，最终形成行星
火星就是其中一个行星，在火星形成的过程中，因为大量星子的碰撞带来的热能以及星子中放射性元素的辐射能，火星也越来越热，最终熔化成为一个岩浆球，在这个初生的岩浆球中，各种物质都被重新熔化形成液态的岩浆，其中的氢根、氢氧根、水分子等由此而得以自由活动，这些分子、离子在岩浆中通过各种化学反应形成水蒸气。
火星最初形成时可能类似于这种环境 图/alphacoders.com
等到最终火星表面冷却之后，这些水蒸气以雨水的形式降落下来，这就是火星上水的来源。当火星的地表冷却以后，火星内部的岩浆又通过火山而源源不断向外补充着水蒸气。当然，其实地球上水的的来历也类似于此，我们甚至可以更进一步推广到所有的岩石行星，在这些行星上，或多或少都是有水的。
所以，答应我，不要再因为在某某星球发现了水就一惊一乍了好吗？
三、火星上有水的那些年
在火星上有水的那些年里，形成了大量的河谷、河网、峡谷、湖泊，这些流水地貌与地球上的水流地貌非常相似，有科学家就曾经专门通过对比火星和地球流水地貌的规模和特征，从而推断火星上这些河流中的水源、水流量等等信息，有人甚至推测，曾经火星上某些河流的水流量可能是地球上亚马逊河水流量的10倍。
火星上的水系 图/ESA
卡塞峡谷外流河河口 图/MDPI
基于陨石坑而形成的湖泊和河流 图/phys.org
不过，可惜的是，由于目前证据还不够多，所以关于火星表面是否有过海洋还存在着争议。不过NASA靠着想象画出了有海洋的火星的模样。
有海洋存在的火星想象图 图/NASA
四、火星上的水为何消失？
火星上水量充沛的年代离现在已经很遥远了，科学家们估计，火星上的水大约从41亿年前就开始出现，到大约37亿年前，水量达到顶峰。但是到大约30亿年前，火星上的水分逐渐减少，成为如今我们看到的荒芜模样。
火星上液态水和火山活动的年代
火星上的水为什么会消失呢？这其实主要是因为火星上岩浆活动的逐渐减弱。我们在前文讲了，水的形成其实与岩浆活动是有密切联系的，岩浆活动活跃，水分补充就多，岩浆活动弱小，水分补充就少。我们看上面的图也能够看出来，火星上的水与火山作用是密切相关的。
火星与地球相比要小很多，它只有地球体积的38%，这意味着它冷却的速度要比地球快很多。大约31亿年前开始，火星内部逐渐冷却凝固，岩浆活动越来越弱，因而补充到火星地表的水也就越来越少，而火星也一方面因为其个头太小，引力也小，过小的引力无法束缚水和大气，大量的水和大气向外逃逸跑到了太空中；另一方面，凝固的火星内部无法产生固定的磁场，这些磁场本来像护盾一样保护着火星的大气，在它消失后，来自于太阳的电离物质，不断刮走火星上的大气和水分。
一方面补充少，一方面大量散失水分，这就是火星上水分快速消失的原因。
火星和地球大小对比 图/wikimedia
五、火星上还有水吗？
虽然现在火星地表一片荒芜，但是火星的某些地方可能残留有一些水分。其中水分最多的地区可能要数南北极了。火星的南北极和地球类似，这里也因为温度极低而保留有大量的冰，不过火星因为温度比地球低得多，所以这些冰是水冰和二氧化碳干冰的混合物。
火星北极冰盖-NASA
在2018年，NASA曾宣布它们在火星的南极冰盖之下发现了一个高度疑似的液态水湖泊；此外，在火星某些还残留有少量岩浆活动的区域内，可能存在少量的地下水，这些地下水在近地表的区域内因为温度低而被冻结形成了冰，2008年凤凰号探测器曾经在火星北极挖了一个土槽，在槽中就发现了水冰的痕迹，这些水冰在4天后因升华而部分消失。
凤凰号在火星挖出来少许水冰，这些水冰在4天后才部分升华消失 图/wikimedia
六、地球会变得跟火星一样吗？
这个问题可能是大部分人都会关注的一个问题。回答是肯定的，地球在未来的某一天，终将变得跟火星一样，这是一个星球的生死轮回，无法避免。但是好消息是，地球比火星大很多，所以地球冷却的会慢很多，水分的逃逸也少很多，地球内部的岩浆也还很活跃，而地球要走到火星那一步可能还需要数十亿年的时间。
好啦，关于火星的问题先写到这里，我们在中国的火星探测器发射之后再来继续聊火星~
本文来自公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：沈梦溪