火星的表面特征

**火星表面常見特徵**包括暗坡條紋、塵暴痕跡、沙丘、梅杜莎槽溝層、銳蝕地形、岩層、沖溝、冰川、扇形地形、混沌地形、可能的古河道、底座形撞擊坑、腦紋地形和環形模具隕石坑等。

## 暗坡條紋

火星勘測軌道飛行器上的高解析度成像科學設備相機發現了一種被稱為斜坡條紋的新現象，這些特徵出現在隕石坑壁和其他斜坡上，它們很薄，長約數百米。據觀察，這些條紋總是從某一源點開始，然後在一年左右的時間裡緩慢增長。新形成的條紋顏色較深，但隨著時間的推延會逐漸褪色，直至變成白色。其原因不得而知，但理論範圍包括從乾燥塵埃崩塌（最被接受的理論）到滷水滲漏等成因。

火星不同地區的暗坡條紋如下所示，點擊圖片可獲得更好的視圖。

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## 復發性坡線

復發性坡線是斜坡上一些在溫暖季節里變長的深色小條紋，它們可能是液態水的證據。

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## 塵暴痕跡

火星上許多地區都經歷過巨大塵暴過境，火星表面大部分地方都布滿一層薄薄的淺色塵埃。當塵暴經過時，會吹走塵埃層並暴露出下方深色的表面。從地面和軌道上都可看到這些塵暴，它們甚至還吹掉了「勇氣號」和「機遇號」火星探測車太陽能電池板上的塵埃，大大延長了它們的運行壽命。 兩台火星探測車的原設計壽命為 3 個月，但勇氣號持續運行了 6 年 77 天，而機遇號則持續了更驚人的 14 年 136 天。已顯示塵暴在地面留下的痕跡形狀每數月就會發生一次改變。

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## 岩層

火星許多地方都有分層重疊的岩石，岩石可通過火山、風或水等多種作用方式形成岩層。在《火星沉積地質學》中，可找到許多關於火星分層的詳細討論。地層可通過地下水的作用而變硬，火星地下水可能移動了數百公里，在此過程中，它將會溶解所經過岩石中的許多礦物質。當地下水在含有沉積物的低洼區湧出時，水在稀薄大氣中蒸發，留下礦物質作為沉積物和 / 或膠結物。由於塵埃層被膠結在一起的，因此，以後不會被輕易地侵蝕掉。

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## 冰蓋中的分層

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## 沙丘

火星上很多地方都有沙丘，環北極冠大部分地區一種由風成沙丘組成的沙漠（或沙海），被稱為繞極沙丘場。沙丘在初秋被一層季節性二氧化碳霜凍覆蓋，一直持續到晚春。很多火星沙丘與地球沙丘非常相似，但火星勘測軌道飛行器上的高解析度成像科學設備獲得的圖像顯示，北極地區的火星沙丘受到季節性二氧化碳升華所觸發的顆粒流影響，這是地球上從未有過的作用現象。許多沙丘呈黑色，因為它們來自黑色的火山玄武岩。諸如在火星上發現的這些地外沙海被以拉丁語中的波浪一詞稱作「烏代」（undae）。

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## 沖溝

**火星沖溝**是在火星上發現的由細溝及相關的坡下淤積沉積物所組成的沖刷網道，因它們類似地球上的沖溝而得名。這些沖溝最早是從火星全球探勘者號拍攝照片中所發現，它們出現在陡峭的斜坡上，尤其是在隕坑壁上。通常，每條沖溝的頂部都有一處葉脈狀的「凹坑」，底部有一片扇形「裙坡」，以及一條將兩者連接起來的沖刷「通道」，使整條沖溝呈現沙漏狀。由於上面幾乎沒有隕石坑，它們被認為相對年輕。

根據它們的形狀、朝向、態勢、位置以及與被認為富冰特徵間明顯的交互作用，許多研究人員認為，蝕刻沖溝的作用過程涉及液態水。然而，這仍然是一個活躍的研究課題。

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## 沙丘上的沖溝

在一些沙丘上也發現了沖溝，它們與其他地方的，如隕石坑坑壁上的沖溝有些不同。沙丘上的沖溝一般僅數米寬，兩側有隆起的坡堤，在很長的一段距離內似乎保持了相同的寬度，它們通常終止於一座凹坑而非裙坡。在羅素撞擊坑內沙丘上發現了許多此類沖溝。冬季，乾冰堆積在沙丘上，然後在春季出現黑點，深色條紋向下延伸。乾冰消失後，可看到新的通道。這些沖溝可能是乾冰塊沿陡坡向下移動所造成，也可能是乾冰引起的沙子流動。在火星稀薄的大氣中，乾冰會強勁噴發出二氧化碳 。

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## 梅杜莎槽溝層

梅杜莎槽溝層是一處沿火星赤道延伸近 1000 公里的鬆軟、易侵蝕沉積區。有時，地層看上去是一片平坦而平緩起伏的表面，但在某些地方，已被風蝕刻成壟脊和凹槽狀。雷達成像顯示，該區域可能含有多孔岩石（如火山灰）或冰川狀的深積冰層，其規模與火星南極冠中的儲存量大致相同。

梅杜莎槽溝層的下段（構造）包含許多被認為是溪流遺蹟的圖案和形狀。據信，溪流形成了河谷，這些河谷被填滿並通過礦物膠結或粗覆蓋層的聚集而變得耐侵蝕。這些倒轉河床有時被稱為蜿蜒山脊或凸起的曲線特徵，它們的長度可能有 1 公里左右，高度則從 1 米到 10 米以上不等，而窄的則不到 10 米。

梅杜莎槽溝層表面已風化侵蝕成一系列被稱為雅丹地貌的線性山脊，這些山脊通常指向蝕刻出它們的盛行風方向，並展示了火星風的侵蝕力。梅杜莎槽溝層易於侵蝕的性質表明，它是由膠結較弱的顆粒組成，很可能是由風吹塵埃或火山灰沉積所形成，該構造部分地區可看到地層。在海盜號、 火星全球探勘者號和高解析度成像科學設備照片中，已觀察到雅丹地貌頂部有一層耐蝕性很強的冠蓋層。整個區域幾乎都看不到撞擊坑，因此表面相對年輕。

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## 雅丹地貌

雅丹地貌在火星一些地區很常見，尤其是在亞馬遜區的梅杜莎槽溝層和赤道附近。它們是由風作用於沙子大小的顆粒而形成，因此，通常指向所形成時的風力方向。由於雅丹地貌表面很少出現撞擊坑，所以被認為相對年輕。

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## 銳蝕地形

銳蝕地形是從水手 9 號圖像中發現的，在火星兩種不同地表間的某些區域中常見的表面特徵。火星表面可分為兩大部分：覆蓋北半球大部分地區的低矮、年輕、非坑窪的平原，以及覆蓋了南半球和北半球一小部分地區的高聳、古老、嚴重崎嶇坑窪的區域。在這兩種地帶之間，是一片侵蝕地形，包括複雜的懸崖、桌山、孤峰、直壁和蜿蜒峽谷。銳蝕地形包括平坦的低地和陡峭的懸崖。陡崖或峭壁通常有 1 至 2 公里高。該地區的河道則擁有寬闊平坦的地表和陡峭的崖壁。銳蝕地形最常見於北緯 30 度到 50 度、西經度 270 度到 360 度之間的阿拉伯區北部，部分銳蝕地形被稱為都特羅尼勒斯桌山群和普羅敦尼勒斯桌山群。

在銳蝕地形中，地塊似乎從狹窄的直谷過渡到孤立的桌山。大多數桌山都圍繞著被賦予各種名稱的形態特徵（環桌山圍裙、碎屑圍裙、岩石冰川和舌狀岩屑坡）。起初它們看上去就像地球上的岩石冰川，但科學家們尚無法確定。最終，火星勘測軌道飛行器的雷達研究發現了它們真實性質的證據，並表明它們含有純水冰，上面覆蓋著一層將水冰隔絕在下方的薄岩層。

除了桌山周圍岩石覆蓋的冰川外，該地區還分布有許多谷底帶有線條狀山脊和溝槽的陡峭河谷。構成這些谷底的材料稱為線狀谷底沉積。在海盜號軌道器拍攝的一些最佳照片中，一些河谷填充物似乎類似於地球上的高山冰川。鑑於這種相似性，一些科學家認為這些谷底線條可能是由流入這些峽谷和河谷中的積冰所形成。今天，人們普遍認為是冰川流造成了這些線條。

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## 冰川

**冰川**被寬泛地定義為當前或最近流動的積冰，並認為存在於現代火星表面大片特定的區域，而且推斷在過去的某些時候曾分布得更廣。

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## 同心坑沉積

同心坑沉積與舌狀岩屑坡和線狀谷底沉積一樣，被認為富含了水冰。根據對這些隕石坑中不同點高度的精確地形測量，以及按直徑所推算的深度，人們認為這些隕石坑中 80% 的空間都被主要為冰的物質所填滿。也就是說，坑內堆積的數百米厚物質可能是由冰和數十米厚的表面碎屑所組成。從前氣候條件下的降雪使隕坑中累積了大量的冰。最近的模擬表明，同心坑沉積形成於多次氣候循環中產生的積雪，然後流入進隕石坑。一旦進入隕坑內，陰影和塵埃會遮蔽積雪，使積雪變成為冰。許多同心線是由多次循環累積的積雪所形成。通常，只要轉軸傾角達到 35 度，就會形成積雪。

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## 桌山

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## 混沌地形

混沌地形據信與巨大洪水的釋放有關，當水從表面流出時，這種混沌特徵可能就已坍塌。火星溢出河道通常起始於混沌區域。一處混沌區域可通過雜亂的桌山、地垛和山丘來識別，所有這些都被河谷分割切碎，一些地方看上去幾乎呈圖案化。這種混沌區域的某些部分還未完全崩塌，它們仍形成了大型桌山，因此，可能仍含有水冰。火星上許多地區都有混沌地形，並總給人一種強烈印象，好像某些東西突然擾亂了地表。混沌區域形成於很久以前，通過撞擊坑計數（任何給定區域內的隕坑越多則意味著表面越古老）以及研究這些河谷與其他地質特徵的關係，科學家得出結論，這些河道形成於 20 至 38 億年前。

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## 平原上部單元

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在火星中緯度地區發現了一種被稱為平原上部單元的 50-100 米厚覆蓋層殘餘物，最初發現於都特羅尼勒斯桌山群地區，但也出現在其他地方。這些殘餘物由隕石坑內和沿桌山的一系列傾斜層組成。這些傾斜層可能有各種尺寸和形狀，有些看上去像中美洲的阿茲特克金字塔。

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該單元也會退化為腦紋地形，腦紋地形是一種 3-5 米高的迷宮般山脊區。有些山脊可能由冰核構成，因此它們可能是未來定居者的水源。

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平原上部單元的一些區域顯示出大裂縫和帶有凸起邊緣的凹槽，這些地區被稱為棱狀上部平原（Ribbed Upper Plains）。據信斷裂起始於應力引起的小裂縫，因為當碎屑堆聚集到一起或靠近碎屑堆邊緣時（這在棱狀上部平原很常見），應力就會引發斷裂作用。此類位置會產生擠壓應力，使裂縫暴露出更多的表面，因此，材料中更多的冰會升華到行星稀薄的大氣層中。最終，小裂縫逐慚演變成大峽谷或大槽溝。小裂縫通常包含小深坑和陷坑鏈，這些也被認為是由地下上的冰升華所形成。火星表面大片區域都布滿了冰，這些冰被一層 1 米厚的塵埃和其他物質所覆蓋。但一旦出現裂縫，新的表面會使積冰暴露在稀薄的大氣中，在很短時間內，冰將通過升華作用消失在寒冷稀薄的大氣中，在地球上乾冰也有類似的表現。在火星上觀察到了升華現象，鳳凰號著陸器暴露出的冰塊在數天內就消失了。此外，高解析度成像科學設備還發現坑底有冰的新隕石坑，在不久之後坑內的積冰就消失得無影無蹤。

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據認為，平原上部單元來自於空中飄落的物質，它覆蓋在各種表面，仿佛均勻落下。與其他沉積覆蓋層一樣，平原上部單元具有層狀、細粒度，且富含冰的特點，它分布普遍，似乎沒有來源點。火星某些區域的表面外觀緣於該單元的退化，它也是造成舌狀岩屑坡表面外觀的主要原因之一。據信，平原上部覆蓋單元和其他覆蓋單元的分層是由該行星氣候發生重大變化所致。模型預測，隨著地質時間推移，火星自轉軸傾角或傾斜度可能會從目前的 25 度改變到超過 80 度不等。高傾斜期將導致極地冰蓋中的冰重新分布，並改變大氣中的塵埃含量。

## 緯度相關覆蓋層

火星大部分表面都覆蓋著一層以前從空中飄落的厚厚含冰覆蓋層，在一些地方可看到覆蓋層中的許多分層。

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它們以雪和覆冰塵埃的形式降落到地面，有充分證據表明這層覆蓋層富含水冰。許多地面上常見的多邊形形狀表明土壤中富含大量的冰。2001 火星奧德賽號探測器檢測到可能來自水的高含量氫，軌道上測得的熱量也表明有冰。鳳凰號著陸器降落在一片多邊形地面，它的減速火箭直接暴露出一塊純淨的冰面。理論預測在數厘米深的土壤下就會發現冰，由於它們的出現與緯度有關，因此這一覆蓋層被稱為「緯度相關覆蓋層」。正是這種覆蓋層的破裂以後才形成了多邊形的地面，這種富冰地面的開裂是基於物理作用所預測的 。

## 多邊形圖案地面

多邊形、圖案狀的表面在火星的一些地區很常見，它們通常被認為是由地下冰升華所引起。升華是冰由固體直接轉變為氣體，類似與地球上的乾冰情況。火星上呈現多邊形地面的地方可能表明未來定居者可在那裡找到水冰。圖案地面形成於所謂的緯度相關覆蓋層，即在過去不同氣候時期，從空中飄落的雪和覆冰塵埃。

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## 扇形地形

扇形地形在火星南北緯 45 到 60 度之間的中緯度區很常見，它在北半球的烏托邦平原地區以及南半球的佩紐斯和安菲特里忒火山口區尤為突出。此類地形由無隆起壘壁和扇貝狀口沿的低淺窪地組成，通常稱為「扇形窪地」或簡稱「貝狀」。扇形窪地可能孤立，也可能成簇出現，有時似乎會結合在一起。一處典型的扇形窪地顯示出一側朝向赤道的緩坡和一側朝向極地的陡坡，這種不對稱地形可能產生於日照的差異，而扇形窪地則被認為是因升華導致的地下物質（可能是間隙冰）消失所形成，這一過程目前可能仍在持續。

2016 年 11 月 22 日，美國宇航局報告稱，在火星烏托邦平原地區發現了大量的地下冰。據估計，探測到的水量相當於一座蘇必利爾湖。該地區的水冰貯量是根據火星勘測軌道飛行器探地雷達（稱為沙拉德雷達）的測量結果所得出。根據沙拉德雷達獲得的數據，測定了它的「電容率」或介電常數，介電常數值與高豐度的水冰一致。

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## 古代河流？

有大量證據表明，水曾經在火星河谷中流淌。來自軌道拍攝的圖像顯示了蜿蜒、分支的河谷，甚至還有帶牛軛湖的河曲，其中的一些可在下圖中看到。

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## 流線型體

流線型形狀代表了火星上過去液態水流動的更多證據，由水塑造出的流線體特徵。

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## 三角洲

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## 底座形撞擊坑

底座形撞擊坑被認為是由於隕坑噴射物保護了其下方地層免受侵蝕而形成，底層物質可能富含水冰。因此，這些隕石坑表明了地下冰所分布的位置和數量 。

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## 暈坑

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## 巨石

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## 腦紋地形

**腦紋地形**是火星表面的一種特徵，由在舌狀岩屑坡、線狀谷底沉積和同心坑沉積上發現的複雜壟脊所組成。之所以如此稱呼，是因為暗示了它類似人類大腦表面的腦回。寬脊被稱為「細胞閉合型」腦紋地形，不太常見的窄脊則被稱為「細胞開放型」腦紋地形。人們認為，寬厚的閉合型腦紋地形包含有一顆冰核，當冰核消失後，寬脊中心塌陷，形成窄脊的細胞開放型腦紋地形。

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## 環形模具隕石坑

環形模具撞擊坑被認為是小行星撞擊在地下含有冰層的地面時所形成，撞擊會使冰層反彈，形成「環形模具」形狀。

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## 無根火山錐

無根火山錐形成於熔岩在地下冰層上流過時所引發的爆炸，冰被融化變成蒸汽，在爆炸中膨脹，形成圓錐體或圓環。類似特徵也在冰島被發現，當時熔岩覆蓋了被水浸透的基底。

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## 泥火山

有些特徵看上去像火山，其中一些可能是泥火山 - 受壓泥漿被迫向上形成的錐體。這些特徵可能是尋找生命的地方，因為它們將可能的生命從免受輻射的地下帶到了地表。

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## 熔岩流

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## 線性脊狀網

線性脊狀網 在火星各處的隕坑內外都有發現。脊線通常顯示為格子狀相交的近乎筆直的直線，它們長數百米，高數十米，寬數米。人們認為撞擊會在地表產生裂縫，這些裂縫後來成為了流體的通道，而流體又加固了結構。隨著時間的推移，周邊材料被侵蝕掉，從而留下堅硬的壟脊。由於脊線出現在有粘土的地方，這些構造可作為粘土的標誌，而粘土的形成則需要水。

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## 裂縫形成的石塊

在一些地方，大裂縫會使地表破裂。有時會形成筆直的邊緣，並由裂縫產生出大石塊。

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## 冰下火山

有證據表明火山有時會在冰下噴發，就像地球上有時發生的一樣，會造成大量積冰融化，液態水消失，而後表面開裂並崩塌，岩石呈現出同心裂縫和似乎被扯開的大塊地面。像這類地點可能近期存在過液態水，因此，它們可能是尋找生命證據最有成效的地方。

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## 諾克提斯迷宮

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## 融霜

在春季，由於表面霜凍消失，下方裸露的黑土壤會呈現出各種形狀。此外，在一些有時被稱為「蜘蛛」的地方，塵埃會像間歇泉般地被噴出。一旦有風吹過，這種材料則會產生出長長的黑條紋或扇狀紋。

在冬季，大量積聚的霜凍直接凍結在永久極冠的表面，該極冠則由覆蓋著層層塵埃和沙子的水冰所構成。沉積物最初是一層布滿塵埃的二氧化碳霜。在整個冬季，它們會重新結晶並變得更緻密，裹挾在霜凍中的塵埃沙粒慢慢下沉。到春季氣溫上升時，霜凍層已變成一層覆蓋在黑色沙塵基底上，厚約 3 英尺的半透明冰。這種深色物質會吸收光線並使冰升華（直接變成氣體）。最終，大量氣體積聚膨脹。當找到一處薄弱點時，氣體就會逸出並吹出塵埃，速度可達每小時 100 英里。有時可看到深色通道，它們被稱為「蜘蛛」 。當這一過程發生時，表面似乎覆蓋著黑點。

現已提出了許多想法來解釋這些特徵，這些特徵可以在下面的一些圖片中看到。

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## 另請查看

* 新月形沙丘 —— 風成地貌的一種
* 混沌地形
* 火星氣候
* 暗坡條紋
* 塵暴痕跡
* 銳蝕地形
* 火星地質
* 火星地理
* 冰川
* 冰川 (火星)
* 火星的地下水
* 伊斯墨諾斯湖區
* 線狀谷底沉積
* 火星混沌地形區列表 —— 維基媒體列表條目
* 火星混沌地形
* 火星沖溝
* 火星暖坡上的季節性流 — 復發性坡線
* 扇形地形
* 火星水文 —— 行星火星上的水文
* 火星雅丹地貌

## 參考文獻

## 推薦閱讀

* Lorenz, R. 2014. The Dune Whisperers. The Planetary Report: 34, 1, 8–14
* Lorenz, R., J. Zimbelman. 2014. Dune Worlds: How Windblown Sand Shapes Planetary Landscapes. Springer Praxis Books / Geophysical Sciences.
* Grotzinger, J. and R. Milliken (eds.). 2012. Sedimentary Geology of Mars. SEPM.

## 外部連結

* YouTube 上的火星上的特寫（視頻：5:53；吉姆・塞科斯基）
* YouTube 上的火星冰（視頻；26:38；吉姆・塞科斯基）第 16 屆國際火星協會年會