火星湖泊

1965年夏天，來自火星的首幅特寫照片顯示了一片沒有水跡象的不毛之地。然而，數十年來，隨著更先進探測器使用更好的相機對該行星更多地區的成像，火星顯示了過去的河谷、湖泊以及冰川和地表中存在水冰的證據。人們發現，火星氣候在整個地質時期表現出巨大的變化，因為它的自轉軸並不像地球那樣被一顆大衛星所穩定。此外，部分研究人員認為，由於地熱效應、化學成分或小行星的撞擊，液態水在火星地表上可能曾存在過一段時間。本篇描述了一些可能出現過大型湖泊的地方。概述.除了所看到的過去地表水特徵外，研究人員還發現了其他型別的間接證據。“2001火星奧德賽號”軌道飛行器所繪製的淺表層水分佈圖，在很多地方探測到了需要水才能形成的礦物；而當“鳳凰號”著陸器在遙遠的北方著陸時，減速火箭的噴流暴露出了地下冰。當水流流入一片大型水域時，可能會形成一處三角洲，火星上許多隕石坑和窪地都顯示出與地球相似的三角洲。此外，如果一座湖泊位於窪地中，那麼匯入它的所有河道都會中止於相同的高度。這種佈局在火星上被認為含有大量水體的地區附近都可看到，包括北部一座可能的海洋周圍。火星上過去的湖泊構造已被各類研究人員研究過很長一段時間了，一項研究在火星隕石坑中發現了205座可能的封閉型盆地湖泊，它們都有一道切開坑壁並流入盆地的入口峪，但沒有可看到的流出豁口，這些盆地的總容量相當於火星上1.2米的全球等效深度。然而，這一數量也只佔目前火星水冰儲量的一小部分；另一項研究發現了210座開放型盆地湖泊，這些湖泊既有入口又有出口，因此，水一定已進入了盆地，並達到流出口的高度，其中一些湖泊的體量與地球上的裡海、黑海和貝加爾湖相當。2018年，在月球和行星科學會議上發表的一項研究顯示，在希臘區西北部發現了64座古湖泊，研究小組認為，這些湖泊是由覆蓋了希臘盆地和東南低地的海洋所形成。該區域的火星偵察光譜儀資料顯示有鐵/鎂蒙脫石、無水氯化物以及可能還有碳酸鹽等水合礦物。2016年，一支研究團隊曾提出過一座這類的海洋，在阿拉伯高地發現了48座可能已消失的湖泊，其中一些被歸類為開放式盆地系統，因為它們顯示了溢位河道證據，這些湖泊的大小從數十米到數十公里不等，其中很多是透過尋找倒轉地形發現的。據信，示巴高地撞擊坑中的一些湖泊形成於坑壁上融化的冰川，這些水流將所攜帶的溝壑碎屑堆積在坑底，當碎屑附近的地面被侵蝕後，在一些隕坑坑底形成了倒轉河道 。在2018年發表的一項研究中，研究人員在希臘盆地東北部發現了34座古湖及相關河道。它們中有些靠近哈德里亞烏斯火山，來自火山的岩脈可能形成了熱液系統，從而使冰融化；還有一些似乎是由降水形成，而另一些則產生於地下水。此外，火星上的一些盆地構成了湖鏈水系的一部分，如長約4500公里的洛東/斯卡曼德洛斯/馬默耳斯谷湖系，其流域面積堪比密蘇里-密西西比河；另一條是1800公里長的薩馬拉—希美拉水系，在珍珠灣區已發現了許多綿延的湖泊鏈。相較於流域面積，一些湖泊的水量似乎過高。因此，被認為其中一些是來自地下水，進一步的證據是盆地底表上存在的瘤狀巖，這些巖垛可能是大量水流離開地面時形成的。2019年2月，一組歐洲科學家發表了可能與火星海洋相連的遠古全球地下水系統的地質證據。這項研究涵蓋了24座顯示沒有入口或出口的隕石坑，因此，湖水應該來自地下。所有隕石坑都位於火星北半球，坑底深度均低於火星“海平面”約4000米，坑底地貌僅在有水情況下才能形成。許多隕坑分佈有多種特徵，反映坑中隨時間而漲落的水位，部分隕坑中存在三角洲和臺階坡。在一些隕坑的坑底發現了只能形成於水中的各類粘土和淺色礦物，此外，其中一些隕坑中還發現有分層結構。綜上所述，這些觀察結果強烈表明在這些地方曾出現過水。這些被研究過的隕石坑分別為佩蒂特、薩根、尼克爾森、麥克勞林、杜·馬瑟雷、湯博、莫哈韋、居里、奧亞馬和瓦胡等。似乎只要一座撞擊坑足夠深，水就會從地下湧出，形成一座湖泊。火星海洋.火星海洋假說推測在該行星地質史早期，近三分之一的火星表面都被液態海洋覆蓋。這片被稱為“古海洋”的和“北大洋”的原始海洋大約在38億年前，可能淹沒了北半球位於行星平均高度4-5公里以下的北方大平原盆地。存在這片海洋的證據包括類似古海岸線的地理特徵以及火星土壤和大氣的化學性質。然而，要擁有這樣一片海洋，早期的火星需要有一圈磁層、一層更稠密的大氣層和更溫暖的氣候才能讓液態水留在表面。觀測證據.1976年，海盜號軌道器首次展示的特徵揭示了極地附近兩條可能的古海岸線：阿拉伯和都特羅尼勒斯海岸線，每一條都長達數千公里。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：匯入更大河道的溝壑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、深數百米的巨大河道似乎直接從南部高地的地下蓄水層流入到北部低地；火星北半球大部分地區海拔比其他地區要低得多匯聚在那裡，海洋會使它下面的底表變得更平坦。數十年來，人們對北方遼闊海洋的認可度時起時落。1998年始，科學家麥克馬林和肯尼思·埃德吉特使用“火星全球探勘者號”上解析度比“海盜號”軌道飛行器高5至10倍的攝像機對科學其他人所提海岸線的地方進行了調查。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。這份報告不但讓人質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假說的論據。2009年發表的研究表明，河道密度比以前估計的要高得多。火星上河谷最多的地區可以與地球上的情況相媲美。研究小組開發了一項計算機程式，透過在地形資料中搜索U形結構來識別河谷，發現的大量河谷渠道有力地支援了火星過去的降雨，火星河谷的全球分佈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網道會有一道自然的南部界限：火星最南端地區離貯水區最遠，從而降雨量很少，無法形成河谷。同樣，降雨稀少也解釋了火星河谷為何由北向南會逐漸變淺。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處位於擬議的海岸線高度 。如果這些三角洲都靠近一片大型水域，則就確如預期所料。2012年發表的研究使用了火星快車號軌道飛行器上的瑪西斯雷達資料，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，因此，支援一座業已消失的大型北方海洋假說。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。這一發現源自從望遠鏡觀測到的現代火星大氣層中水/氘比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。水手峽谷系統.位於科普剌塔斯區的水手谷是太陽系中最大的峽谷系統，許多證據表明，整個峽谷系統曾全部或部分坐落著湖泊。峽谷崖壁上普遍分佈著眾多的岩層，一些峽谷底部堆滿了大量層狀沉積物，一些研究人員認為，這些岩層都是以前峽谷中溢滿液態水時形成的。水手谷中的各個部分，特別是坎多爾峽谷和朱芬塔峽谷中被稱為“內部分層沉積物”。從這裡到流入北方平原的溢位河道，有一片約0.03度的向上坡地，這意味著如果峽谷注滿液體，在流出到北部平原之前，將形成一座1公里深的湖泊。梅拉斯峽谷也是水手谷中最寬的部分，位於伊烏斯峽谷以東的科普剌塔斯區南緯9.8度、東經283.6度處。它穿過了一座古湖泊的層狀沉積物，該湖泊形成於西面河谷水道的徑流。梅拉斯峽谷過去水資源豐富的支援證據來自火星勘測軌道飛行器發現的水合硫酸鹽，它們的形成需要水。此外，在2015年對梅拉斯峽谷西南部進行的研究中，利用高解析度影象、地形和光譜資料，發現了11處扇形地貌。這些扇形區增添了更多的證據，證明梅拉斯峽谷曾經擁有一座水位波動的湖泊。當地河谷水道的徑流可能在梅拉斯峽谷西南部形成了一座湖泊。科學家們描述了水手谷東部，特別是科普剌塔斯峽谷中一座湖泊的強力證據。該湖泊平均深度只有842米—比水手谷部分深達5-10公里的地區要淺得多，但它110000公里3的容積堪比地球上的裡海。此類湖泊的主要證據是存在沿水平面顯示的階坡，表明湖面水位所處的位置。此外，厄俄斯峽谷中預計流水溢位的低點明顯顯現出河流特徵，看上去好似水流聚集在一處狹小區域並造成嚴重的侵蝕。希臘盆地.希臘盆地部分坐落在希臘區中，它是火星表面所知最大的撞擊坑，也是太陽系中第二大隕石坑，其深度為7152米 ，低於火星標準地形基準面。該盆地位於火星南部高地，被認為形成於大約39億年前的後期重轟炸期期間。據信，在該星球歷史早期，希臘盆地中存在一座深度可能為5.5公里的大型湖泊，已發現了它可能的海岸線。在火星軌道相機拍攝的窄角影象中，可明顯看到這些海岸線交替的階坡和陡壁。在希臘盆地特比隕擊坑北側坑壁上，可見到沉積在盆地內，後因侵蝕而暴露出來的地層，就是一則很好的示例，過去認為特比隕擊坑分佈有一片巨大的三角洲，但後來的觀察結果使研究人員認識到，這些序列地層可能是延伸至整個希臘盆地地層組的一部分。特比隕擊坑北側坑壁中沒有足夠大的河谷來挾帶形成地層所需的大量沉積物。其他的觀察結果也否認了特比坑中含有三角洲。此外，火星軌道鐳射高度計資料顯示，這些沉積單元的接觸面標示出一種情況，即環繞該盆地數千公里的等高線。據認為由水流形成的河道從四面八方進入盆地。道谷發源於一座名為哈德里亞卡火山口的大型火山附近，因此，人們認為它容納了從大量凍土中被熾熱岩漿融化出的水。相鄰影象中河道左側的圓形窪地表明，地下水的侵蝕也產生了水。希臘盆地可能幾乎是整個北部平原面積的五分之一。在當今火星氣候下，希臘盆地中的湖泊會在頂層形成厚厚的冰，最終會因昇華而消逝，冰直接從固態變成氣體，就像地球上的乾冰可能是在水凝結成冰時所形成。希臘盆地中的湖泊可能曾持續了很長一段時間，特別是如有地熱源的話，因此，微生物生命可能有時間在那裡繁衍。蓋爾撞擊坑.蓋爾撞擊坑是火星上靠近埃俄利斯區西北部的一座隕石坑，直徑154公里。有確鑿的證據表明，蓋爾撞擊坑中曾擁有過一座大湖。2012年8月6日，火星科學實驗室降落在蓋爾撞擊坑中埃俄利斯山附近的埃俄利斯沼內。2012年8月5日，火星科學實驗室“好奇號”漫遊車降落在蓋爾撞擊坑內一座層狀山丘下。隨著任務的展開，美國宇航局公佈的發現和結論詳細例舉出越來越多的證據，表明蓋爾曾經有過一座大湖。2012年9月27日，科學家宣佈“好奇號”發現了表明火星之水曾“奔騰流動”的古河床證據。2013年12月9日，美國宇航局報告說，蓋爾撞擊坑中有一座可能為微生物宜居環境的古淡水湖。“好奇號”發現了細粒沉積岩，這代表了一座原本適合化能無機自養型生命的古湖泊。這種液態水環境具有中性pH值、低鹽度以及適用於某些微生物的鐵和硫，並測量到了生命所需的碳、氫、氧、硫、氮等元素。蓋爾撞擊坑中的古湖泊可能曾存續了數百到數萬年。“好奇號”在蓋爾撞擊坑黃刀灣沉積岩，該泥岩樣本分別被命名為約翰·克萊恩和坎伯蘭。據估計，它們形成的時間晚於諾亞紀年代，這意味著那裡的水存在的時間可能比以前所想的要更長。蓋爾撞擊坑中分佈著許多衝積扇和三角洲，它們提供了過去湖泊水位的資訊。這些地層為：薄餅三角洲、西部三角洲、法拉谷三角洲和和皮斯谷沖積扇。在2014年12月8日的新聞釋出會上，火星科學家詳述了“好奇號”探測車的觀測結果，表明火星夏普山是由數千萬年來堆積在大型湖床上的沉積物所構成。這一發現表明，古代火星的氣候可能在該星球上的許多地方形成了長久的湖泊。岩層表明這座巨大的湖泊曾被多次注滿和蒸發，證據是許多相互堆疊的三角洲。蓋爾撞擊坑被認為是一座封閉型盆地湖泊，因為它只有流入，而沒有流出河道。。粘土及硫酸鹽礦物只在有水環境中才能形成，它們也能儲存過去生命的印跡。蓋爾撞擊坑岩石中記錄的水歷史，為“好奇號”研究火星是否曾是微生物棲息地提供了許多線索。蓋爾撞擊坑的特別之處是可以同時觀察到在不同水環境中形成的粘土和硫酸鹽礦物。霍頓撞擊坑.霍頓撞擊坑是珍珠灣區一座直徑40公里的隕石坑，其名稱取自美國天文學家、太平洋天文學會創始人愛德華·辛格登·霍頓。與火星上其他一些隕石坑一樣，霍頓撞擊坑有一條溢位河道—烏斯缽谷與之相通，隕坑內的一些特徵，尤其是湖泊沉積物，似乎是由流水所形成。該隕坑的坑壁上被切刻出道道沖溝，一些沖溝的末端是水流搬運物形成的扇形沖積堆。該隕坑引起了科學家們的極大興趣，因為它清楚地暴露出了一些湖泊沉積物。火星偵察軌道器發現這些地層中含有粘土 ，粘土只有在有水情況下才能形成。該地區被懷疑曾流淌過大量的水流，併發生在一處比休倫湖更大的水體在衝破坑壁阻擋後所引發的巨流。霍頓撞擊坑是一座古老的隕坑，裡面分佈著許多更小的撞擊坑，其中許多坑內都填滿了淤積物。事實上，霍頓撞擊坑中暴露的沉積物超過150米，尤其在隕坑西南部，坑內的中央山脈也被沉積物遮蔽，大部分沉積物可能來自河流和湖泊的堆積。霍頓撞擊坑也位於烏斯缽-拉冬-摩拉瓦谷溢流水系中。霍頓撞擊坑地質史.對霍頓撞擊坑周邊整個區域的研究，使人們瞭解到塑就該隕坑以及兩座不同湖泊的一系列複雜事件。從阿耳古瑞盆地一座大型湖泊中洩出的水流形成了一系列被稱作“烏斯缽-拉冬-摩拉瓦水系”的大型河流。當撞擊發生併產生出霍頓撞擊坑後，該水系被一道幾乎1公里高的坑壁阻斷。被坑壁攔阻的水流，可能還有地下滲出的水，一起匯聚成了第一座湖，該湖泊幽深而持久，湖中淤積了最底層的沉積岩。由於霍頓坑壁的阻擋，大量的水流被排入烏斯缽谷，加上尼爾格谷的匯入，流量達到4800米3/秒。當水位漲至某一高度時，蓄水衝破了霍頓撞擊坑坑壁，形成第二座200-250米深、壽命較短的湖泊。深度至少50米的水流以密西西比河5-10倍的流速衝入進霍頓撞擊坑，所遺存的階坡和大岩石支援了這種高流出率。西埃律西昂平原古湖.有證據表明在埃律西昂西部有一座大型湖泊，然而，一些研究人員認為這種地形可用大片熔岩流來解釋。這座假想湖泊的流域面積超過150公里2，覆蓋著斷裂的地塊和蜿蜒的山脊，看上去就像地球上的大塊浮冰。該區域多邊形地形中呈現的圖案地面和侵蝕模式支援了含冰物質，因此是一座湖泊。此外，流線型島嶼、瀑布和樹枝狀河道系統的存在表明，來自湖泊中的水流形成了這種結構。這裡的一些地表分佈有“無根錐”，一種帶有凹坑的土堆。它們可能是熔岩在富冰地表上流動時，熔岩與地下冰一起爆炸所導致。冰融化並變成蒸汽，在爆炸中膨脹，形成圓錐體或圓環。冰島也發現了類似的特徵，當熔岩覆蓋被水浸透的基底時。埃律西昂平原盆地幾乎可被描述為一種完美的等位面，因為它在500公里範圍內僅傾斜了10米左右，與地球海洋的水平面差不多。這一非常平緩的坡度反駁了熔岩流形成說。在一些地方已發現流面降低了一半，如果流體是水，則會出現這種情況，但如果是熔岩，則不會降低。據估計，該湖泊的最大深度在31到53米之間。西埃律西昂古湖位於埃律西昂區南部，靠近埃律西昂火山區南部和刻耳柏洛斯塹溝群附近，有人提出，該古湖的水來自刻耳柏洛斯塹溝群中的凹槽。現已提出了數種想法來解釋其確切的機制，包括地下水排洩和穿過冰凍圈的岩脈。阿耳古瑞盆地.阿耳古瑞盆地是在希臘撞擊7000萬年後，發生的又一次巨大撞擊中形成的。在火星早期歷史中，據推測盆地內就可能有一座湖泊。阿耳古瑞盆地位於阿耳古瑞區內，至少有三條河谷從南部流入到湖中。在阿耳古瑞湖凍結後，冰形成了今天可見的蛇形丘。一篇發表在《伊卡洛斯》上由22名研究人員撰寫的文章認為，形成阿耳古瑞盆地的大撞擊可能撞擊到了冰蓋或厚厚的永久凍土層，所產生的能量融化了冰，形成了一座巨大的湖泊，最後將水輸送到北方。該湖泊的容積相當於地球上的地中海，最深處可能需要超過十萬年的時間才能結冰，但在撞擊熱量、地熱能和溶解物的幫助下，它可能擁有了數百萬年的液態水，生命可能在此階段發展起來。該區域顯示了大量具有流體特徵的冰川活動證據，包括冰隙狀裂縫、鼓丘、蛇丘、冰斗湖、刃嶺、冰斗、角峰、U形谷和臺階地等。由於阿耳古瑞蜿蜒山脊的形狀，作者得出結論認為它們是蛇形丘 。裡奇隕擊坑.裡奇隕擊坑是科普剌塔斯區一座直徑79公里的撞擊坑，其名稱取自美國天文學家喬治·威利斯·裡奇，有強力證據表明它曾經是一座湖泊。裡奇隕擊坑曾被建議為火星探測車的著陸點，在該隕坑中發現了包括粘土在內的一系列沉積物，粘土沉積物表明坑中曾存在過一段時間的水，沿隕坑壁和邊緣上的河流特徵以及沖積物/河流沉積物，支援了過去某個時間存在大量水的觀點。耶澤羅撞擊坑.耶澤羅撞擊坑是火星上位於大瑟提斯區北緯18.855度、東經77.519度處的一座隕石坑，直徑約49.0公里。該隕坑被認為曾被洪水淹沒過，裡面分佈有一片富含粘土的扇狀三角洲沉積物。耶澤羅撞擊坑曾被考慮為火星科學實驗室登陸地，也是“毅力”號火星探測車的著陸點。在該隕坑及周邊發現了粘土礦物，火星勘測軌道飛行器發現了蒙脫石粘土，粘土在有水情況下才形成，所以該地區在古代可能曾經有水，也可能有生命。一些地方的地表開裂成多邊形圖案，這種形狀通常在粘土變干時所形成。2015年3月，研究人員在發表的一篇論文中描述了傑澤羅隕石坑中如何存在一座火星古湖泊系統的看法。這項研究提出了這樣一種觀點，即該隕坑至少兩次被水注滿。在隕石坑北側和西側有兩條供流水道，這兩條水道在登陸點附近都有類似三角洲的沉積物，沉積物被水挾帶並沉積在湖中，圖片顯示了這些分層和彎流。火星2020任務的主要目標是尋找古代生命的跡象，希望後續的任務可從被確認可能含有生命遺骸的地點取樣返還。為了能安全降落，需要一片12英里寬、平坦和緩的圓形區域。地質學家希望檢查曾經積水的地方，對沉積層層進行勘查。埃裡達尼亞湖.埃裡達尼亞湖是一座理論上的古湖泊，面積約110萬平方公里，其最大深度為2400米，容積562000公里3，比地球上最大的內陸海里海還要大，較火星上其他所有湖泊的水量加起來還要多。埃裡達尼亞湖的蓄水量是北美五大湖的9倍多。推測該湖湖面位於環湖河谷的較高處，因為所有河谷都終止於同一海撥高度，表明它們流入進同一座湖中。三座盆地組成了阿里阿德內斯湖，然後是一層沸石或水合硫酸鹽，還發現了少量明礬石和黃鉀鐵礬礦床，粘土礦物為儲存過去火星生命遺蹟提供了有利條件。後來用緊湊型火星偵察成像光譜儀進行的研究發現了厚度超過400米的厚礦床，其中含有皂石、滑石皂石、富鐵雲母，因為一些隕石坑的噴射物中並沒有顯示出這種化學物質。隕石坑的噴出物含有地表下物質，因此，如果氯化物沉積很厚，它們就會出現在噴出物中。2018年，在德克薩斯州舉行的行星科學會議上，發表的一篇論文提出，埃裡達尼亞深湖富含能量和化學營養的環境可孕育了古代生命，地球上生命的最早證據與這種深水環境相類似。哥倫布撞擊坑.哥倫布撞擊坑是門農尼亞區一座直徑119公里的隕石坑，以義大利探險家克里斯托弗·哥倫布的名字所命名。利用軌道近紅外光譜儀分析礦物吸收光波長的研究，發現了哥倫布撞擊坑中存在粘土層和硫酸鹽層的證據，其狀況就如一座緩慢蒸發的大湖一樣。此外，由於一些地層中含有石膏，一種在相對中性淡水中形成的硫酸鹽，因此，生命曾可能會在該隕坑中形成。火星勘測軌道飛行器上的緊湊型火星偵察成像光譜儀還發現了高嶺石，包括明礬石和可能的黃鉀鐵礬等水合硫酸鹽。進一步的研究得出結論，石膏、多水和一水鎂/鐵硫酸鹽較為普遍，並且發現了少量蒙脫石、鐵/鎂頁矽酸鹽和結晶氧化鐵或氫氧化物沉積物。熱輻射光譜表明，一些礦物的含量在百分之幾十的範圍內，這些礦物表明隕石坑中存在過水。科學家們對在火星上發現硫酸鹽和粘土等水合礦物感到興奮，因為它們通常是在有水的情況下形成的，含有粘土和/或其他水合礦物的地方是尋找生命證據的合適地點。富鋁粘土層上方發現硫酸鹽礦物，意味著在粘土形成的早期，水更中性，可能更容易發育，硫酸鹽通常是在偏酸性水環境中形成的。納武阿峽谷群.希臘盆地東北部的納武阿谷水道可能也曾是一座大型封凍湖的所在地。南極冰蓋冰下湖.2018年，宣佈在火星南極冰蓋下發現了一座冰下湖，該湖由火星快車號軌道器探測到，長20公里，為極鹹的滷水。2020年9月，科學家們證實在火星南極地區冰層下存在幾座大型鹹水湖，根據其中一位研究人員的說法，“我們確認了相同的水體[正如先前初步檢測中所建議的那樣]，但我們還在主水體周圍發現了另外三處水體……這是一個複雜的系統”。另請檢視.