登陆火星,我们会看到什么?

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本文曾于今年4月刊出

现根据最新进展修订并重发

2021年5月15日7时18分

中国火星探测器天问一号

正式着陆火星地表

它携带的祝融号火星车

即将开启一段全新的旅程

(“祝融号”火星车登陆示意图,制图@郑艺/星球研究所)

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它们不但寄托着

中国人的星际探索梦想

还把人类持续了61年的火星探索

推向了新的高度

(1960-2021人类火星探测任务汇总,制图@王申雯/星球研究所)

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这些探索

已经让火星的面貌

变得逐渐清晰

火星与地球几乎同时诞生

形同姊妹

似乎有机会成为“另一个地球

但如今

地球生机勃勃、活力四射

火星却寒冷干燥、满目荒凉

成了一个近乎死去的世界

(2021年3月毅力号火星车拍摄的火星地表,图源@NASA)

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火星上

究竟发生了什么?

为何变成了死去的“另一个地球

天问一号探测器和祝融号火星车

又将在火星探索什么?

(夜空中的火星,摄影师@Tea-tia)

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 01 

碰撞时代

大约46亿年前

年幼的太阳系里

尘埃微粒正在聚集

无数石块、星子、行星胚胎横冲直撞

结合成更大的岩石星球

原始火星

就这样诞生了

(火星在太阳系中位置示意,行星间相对位置有调整,标注@郑伯容&汉青/星球研究所)

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紧接着

至少44.8亿年前

另一个行星胚胎与原始火星相撞

火星的样貌从此大为改变

(火星全球影像,图中的大型沟壑地貌为水手大峡谷,图源@NASA)

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撞击引起了剧烈的岩浆活动

使得火星地势

南高北低

南半球以高原地形为主

地壳较厚

北半球以平原地形为主

地壳较薄

人们称之为“地壳二分性

(请横屏观看,火星地形示意图,火星“海拔”的起点是火星大地水准面,是一个人为定义的曲面;在地球上,海洋的大地水准面与海平面重合,制图@郑艺/星球研究所 )

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此后

一系列大规模撞击事件

仍然持续不休

又在南高北低的大背景上

制造出一系列巨型撞击坑

在北半球

若干个巨型撞击坑彼此相近

碰撞产生的熔岩首先在坑底冷却

然后又被泥砂石块逐渐填平

融合成规模惊人的

北方大平原

(火星北半球地形示意图,制图@郑艺/星球研究所)

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其中

祝融号火星车刚刚登陆的乌托邦平原

是火星上已知的最大撞击坑

直径超过3300km

由于面积过于巨大

登陆其上的人类探测器

几乎观察不到任何“坑”的形态

只有一望无际的乱石荒原

故而得名“平原

(1979年维京2号着陆器拍摄的乌托邦平原,乱石上结满白色冰霜,这里也是祝融号火星车的着陆地,图源@NASA)

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而在火星南半球

大小不一的撞击坑遍布地表

看起来伤痕累累

(火星南半球地形示意图,可见密集的撞击坑,制图@郑艺/星球研究所)

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海拉斯平原

是南半球最大的撞击坑

也是火星地表最深的撞击坑

东西长度超过2500km

南北长度超过1400km

最大深度超过7300m

几乎可以“放入”整个青藏高原

(海拉斯平原与青藏高原对比,制图@郑艺/星球研究所)

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这些巨型撞击坑

主要形成于大约42-37亿年前

堪称“碰撞时代”的高潮

但从距今37亿年起

巨型撞击坑基本停止产生

中小型撞击事件则取代它们

继续为火星地表增添疤痕

(请横屏观看,好奇号火星车从盖尔撞击坑中央丘陵回望,近景是裸露在地表的古代岩层,从中可以认识撞击坑的演化历史,该撞击坑形成于约36亿年前,直径150km,图源@NASA)

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纵观火星的碰撞时代和随后的历史

火星上产生的撞击坑

数量和规模都十分惊人

其中

直径超过1000km的撞击坑

已有5个得到确认

直径超过1km的撞击坑

更是超过了38万个

远超地球

(火星与地球撞击坑数量对比,制图@郑艺/星球研究所)

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在地球上

人们尚未发现直径超过1000km的撞击坑

即便是6500万年前

加速恐龙灭绝的希克苏鲁伯撞击事件

也仅在墨西哥湾浅海区域

留下了直径约180km的撞击坑

它是地球第二大的撞击坑

但放在火星上却毫不起眼

(墨西哥希克苏鲁伯撞击坑地形,制图@郑艺/星球研究所)

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而地球上已知的最大撞击坑

是位于南非的弗里德堡撞击结构

形成于20.2亿年前

原始直径仅有约300km

如果放在火星上

只能位列第三梯队

(南非弗里德堡撞击坑地形,制图@郑艺/星球研究所)

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但这并不意味着

地球比火星经历了更少的撞击事件

而是因为地球有着

更活跃的地质运动

和更频繁的雨雪风霜

二者早已将大量撞击坑“磨平”

以南非的弗里德堡撞击坑为例

原本300km直径的撞击坑

在经过了20多亿年的破坏后

仅留下直径约80km的中央丘陵区

我们已无法看出它原本的规模

(撞击坑破坏示意,地层抬升会使古老的撞击坑逐渐风化消失,制图@王申雯/星球研究所)

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我们能在地球上得见的撞击坑

往往非常“新鲜”

而稍稍假以时日

它们同样会被快速“磨平”

(请横屏观看,巴林杰撞击坑,形成于约5万年前,直径仅有1.19km,图源@视觉中国)

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正是这两种力量的强弱差异

改变了地球和火星的面貌

在火星的大部分历史中

地质运动和雨雪风霜并不活跃

不仅使40多亿年前的巨型撞击坑得以幸存

更使为数众多的中小撞击坑一并保留

(火星维多利亚撞击坑,直径约800m,机遇号火星车曾在此工作,图源@NASA)

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但这些或大或小的疤痕

仅仅是碰撞对火星外表的改变

更加深远的改变

发生在火星内部

撞击产生的能量

使火星内部变得活跃异常

开启了塑造火星的第二个时代


 02 

火山时代

至少40亿年前

熔岩

开始从火星地下大规模喷出

宣告了火山时代的到来

(请横屏观看,火星火山分布图,制图@郑艺/星球研究所)

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在火星的赤道附近

不断喷发的火山

令熔岩在地表反复流淌

竟然形成了一个占火星表面积约25%的

巨型火山高原

塔尔西斯火山高原

(塔尔西斯火山高原地形图,火星“海拔”的起点是火星大地水准面,是一个人为定义的曲面;在地球上,海洋的大地水准面与海平面重合,制图@郑艺/星球研究所)

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四座海拔14000m以上的巨大火山

成为高原的“中流砥柱”

其中西北部的奥林匹斯山

海拔达到21229m

是太阳系中最高大的单体火山

(奥林匹斯山影像,颜色表示海拔,图源@NASA)

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它们远高于地球上任何一座山峰

即使从太平洋海底算起

地球最大的超级火山夏威夷岛

其顶底落差也仅有9300米

依然相形见绌

(请横屏观看,火星奥林匹斯山与部分地球山峰对比,制图@汉青/星球研究所)

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从宏观的角度

这些火山的庞大体量冠绝整个太阳系

使人类感到陌生甚至恐惧

但从微观的角度

形形色色的火星火山地貌

却又与地球的火山地貌颇为相似

在火星的熔岩平原上

熔岩一边流动一边冷却

堆积出麻绳一样的外观

(埃律西昂平原上的一处火山熔岩,堆积出绳状外观,原图为黑白照片且无比例尺,图源@NASA)

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与地球活火山周围

一边流动一边冷却的熔岩

有着类似的外观

(夏威夷熔岩流表面的绳状外观,规模小于上图火星地表的绳状结构,但二者成因类似,图源@视觉中国)

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当熔岩的表面逐渐冷却

转入地下的管道流动

还会在火星上形成

庞大的地下洞穴体系

极易坍塌成线性峡谷或连续坑洞

(火山熔岩管道形成过程示意,制图@王申雯/星球研究所)

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由此产生了蠕虫一般的坑道

或线性排列的椭圆坑洞

广泛分布在火山四周

(火星奥林匹斯山附近的熔岩管道,不同时期喷发产生的管道彼此叠加、切割,坍塌成断续的坑道,原图为黑白照片且无比例尺,图源@NASA)

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而在地球上

冰岛、夏威夷等地

也常见类似的火山熔岩管道

(冰岛的古代熔岩管道,地表可见熔岩冷却留下的柱状节理,管道顶部已局部坍塌,图源@视觉中国)

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火星的火山时代

大约持续到距今30亿年前

从那之后

火山喷发变得更加断断续续

规模也大为减小

如火星北半球的埃律西昂火山区

最近的喷发

可能发生在距今5.3万年前

但最令人称奇的并非它的年轻

而是它周围类似河道的地貌

(埃律西昂火山区地形图,山坡上的熔岩管道流向低洼地,转化成疑似河道的结构,制图@郑艺/星球研究所)

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火山熔岩管道顺坡而下

向山脚的平原延伸开来

逐渐拥有了像河流一样曲折的形态

像河流一般蜿蜒消失

似乎在暗示

火星的火山时代里

还隐藏着潺潺的流水


 03 

流水时代

在火星诞生之初

水分子与尘埃共同汇聚

大量的水被“封禁”在星球内部的岩石里

在碰撞时代和火山时代

水蒸汽从岩浆中升腾出来

当温度稍稍下降

蒸汽凝结成雨

雨水第一次降落这颗星球

宣告了流水时代的到来

(意大利埃特纳火山喷发后的烟柱,火山喷发不仅产生大量的火山灰,也会将巨量的水蒸汽释放出来,图源@视觉中国)

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迄今为止

人类已经在火星上

发现了许多流水时代的实物证据

2004年

机遇号火星车发现了“小蓝莓结构

一种由含铁矿物构成的球状结核

散落在火星撞击坑的地表

(被称作“小蓝莓”的火星含铁矿物结核,由赤铁矿构成,直径若干毫米,图源@NASA)

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它们是火星古代地下水的杰作

与美国犹他州沙漠里

散落遍地的“摩奇石球

有着基本相同的成因

(美国犹他州沙漠里的“摩奇石球”,图源@视觉中国)

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在气候湿润的时期

地下水流经地下岩层

一些溶解矿物聚集沉淀

将周围的岩石颗粒粘合成结核

经过一系列化学变化后

不稳定的钙质结核

转变为较稳定的铁质结核

在岩石遭受风化破坏后散落一地

(结核形成与脱落示意,结核是沉积岩中的常见构造,在地球和火星都可以找到,制图@王申雯/星球研究所)

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除了古代火星地下水的实物证据

2011年以来

在盖尔撞击坑里探测的好奇号火星车

还找到了许多古代火星地表水流的实物证据

不仅有被流水打磨圆润的卵石

(盖尔撞击坑内高度磨圆的小卵石,形成于河流环境,图源@NASA)

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还有具备特殊纹理的砂岩地层

共同记录了古代奔涌的河流

在地球的砂岩地层里

记录岩石身世的纹理十分常见

如丹霞地貌的砂岩山体中

常可以找到古代河流留下的纹理

就这样

人们根据对地球地貌的认识

与火星的地表现象进行对比

推演出属于火星流水时代的

溪流汇聚、江河奔涌、波涛拍岸

大约40亿多年前的火星

雨水在高地汇聚

经过树枝一般的溪流网络

汇聚成主河道

(陶马西高地南侧的瓦伊格谷河道系统,制图@郑艺/星球研究所)

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河流裹挟泥沙继续流淌

在火星高地上切割出壮观的峡谷

长度动辄达到数千千米

深度亦常有数千米

(水手谷和卡塞谷地形示意图,部分学者认为,卡塞谷可能由熔岩而非液态水流动产生,制图@郑艺/星球研究所)

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当河流流出高地

来到地势低平的平原区后

它们开始在大地上蜿蜒

留下复杂多变的河曲

将泥沙堆积在河道内

它们转变为岩石后

又从强烈的风化破坏过程里幸存

在地表凸显出来

(伊奥利亚平原的古代火星曲流河道,制图@郑艺/星球研究所)

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九曲十八弯的外形

像极了地球上那些曲流河

(内蒙古呼伦贝尔草原莫日格勒河,它是典型的曲流河,摄影师@刘兆明)

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河流继续流淌

在一些低洼的地区汇聚

形成湖泊与海洋

泥沙则在岸边堆积成三角洲

(火星杰泽罗撞击坑边缘的三角洲,毅力号火星车正在这里寻找火星古代生命迹象,底图@ESA,标注@汉青/星球研究所)

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更多的三角洲

则分布在北方大平原周围

似乎在暗示

一个古老的火星海洋

曾占据了流水时代的北半球低地

而那些大大小小的撞击坑

则成为湖泊的所在地

(火星主要三角洲分布及可能的早期海洋分布图,制图@郑艺/星球研究所)

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但不同于地球

火星的江河湖海没有持续到今天

大约25亿年前

火星的流水时代逐渐结束

液态水逐渐冻结、消失

今天的火星上

流水几乎不复存在

只有一些残留的水冰

分布在部分撞击坑、两极冰盖和地下

(火星北极附近的克洛罗夫撞击坑中残留大量水冰,直径约82km,图源@ESA)

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究竟发生了什么?

为什么火星

经历了碰撞时代的动荡不安

经历了火山时代的烈火熔炉

经历了流水时代的奔流不息

却最终迎来了死亡?


 04 

死亡时代

我们或许可以从

地球与火星的地形差异中

获取一些线索

在地球上

规模巨大的洋中脊和火山链

年复一年地喷薄岩浆

将地球内部的物质不断带到地表

更新地球表面的大气、水和岩石

(印尼婆摩罗火山,印度尼西亚的群岛是板块运动产生的火山岛链,火山活动极为频繁,摄影师@Tony Wang)

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延绵数千千米的线性山脉

在地质历史中起起落落

共同见证着地球板块运动的生生不息

(太空中俯瞰喜马拉雅山脉,画面左侧为中国方向,右侧为印度方向,图源@NASA)

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但在现代火星上

人们几乎找不到类似的地貌

这里的火山分布零散

缺乏线性的火山链和洋中脊

就连线性的碰撞山脉也几乎不存在

无法证明存在活跃的板块运动

只有位于水手谷南方

延绵2000km的陶马斯高地

呈现出一定的线性特征

不排除是古代火星板块碰撞的痕迹

(火星与地球地形对比,标注了主要线性山地、火山带和洋中脊,制图@郑艺/星球研究所)

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或许在40多亿年前

火星有过短暂的局部板块运动

但它没有持续到现代

而原因可能仅仅是因为

火星的身材太过娇小

(地球与火星大小示意,底图@NASA,制图@郑伯容/星球研究所)

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在冰冷浩渺的宇宙中

娇小的火星

既无法提供足够的放射性元素

在星球内部衰变产生热量

也难以留存碰撞时代遗留的热能

内部冷却程度远甚于地球

以至于无法支持活跃的板块运动

这一差异

改变了两颗星球后来的历史

由于缺少板块运动带来的剧烈地质运动

火星的地表远不如地球这般活跃

古老的撞击坑得以长期存在

穿越40多亿年的光阴

留存至今

(欧科斯环形山,火星表面最古怪的地貌之一,可能由小行星撞击产生,图源@ESA)

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由于缺少板块的横向运动

源于地幔深处的岩浆在原地喷发堆积

最终形成巨大的火星火山

而不会像地球的夏威夷火山一样

分散成一连串的火山岛

(地球和火星火山喷发示意,是否存在板块运动,是两颗星球火山高度相差悬殊的重要原因,制图@王申雯/星球研究所)

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距今约37亿年前

或许是因为火星地核温度太低

或许是因为某次撞击事件干扰了地核

火星的全球磁场逐渐消失

太阳风得以直达火星大气层

将大气分子“吹”进太空

(太阳风破坏大气层原理,制图@汉青/星球研究所)

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当时间来到距今约30亿年前

火星的巨型火山活动渐渐减弱

内部物质难以来到地表

大气层和地表水逐渐失去补充

在随后的岁月里

60%以上的火星大气竟因此消失

大气愈发稀薄

气压和温度双双下降

液态水冻结在两极附近的地表和地下

偶尔升华产生的水蒸汽

也会很快被太阳风破坏带走

从火星消失

(请横屏观看,火星北极冰盖,由水冰和干冰构成,图源@ESA)

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气温继续下降

就连二氧化碳也被冻结

形成厚重的“干冰”冰盖

(火星南极附近的地表干冰实拍,与红色的泥沙混合在一起,图源@NASA)

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狂风在地表呼啸

卷起江河湖海沉积的泥沙

用做摧残岩石的武器

(火星的雅丹地貌,是古代湖泊泥沙被风力破坏的产物,图源@NASA)

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沙漠开始在火星广泛出现

庞大的沙丘在地表蔓延

(火星沙丘,颜色为人工添加的假彩色,图源@NASA)

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火星的死亡时代

从距今25亿年前延续至今

整个星球的表面陷入沉寂

只有偶尔飘过的几缕白云

(火星的稀薄云层,由机遇号拍摄,图源@NASA)

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和动辄席卷全球的沙尘暴

依旧保留些许的活力

(2001年一场全球性的火星沙尘暴,给整个星球都被蒙上一层“沙雾”,由哈勃望远镜拍摄,图源@NASA)

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火星已经几乎死去

所有曾经的动荡与迸发的力量

都已被埋藏在时光的深处

它用自己最残破的姿态

迎来了人类的探索


 05 

“另一个地球”

人类的火星探索

打破了火星持续数十亿年的沉寂

随着人类越发了解火星

并将火星的一生

与地球的一生进行对比时

才体会到地球的与众不同

地球有着足够大的身躯

至今仍维持着活跃的地核运动

产生出强大的磁场

保护着大气层不受太阳风侵袭

以适当的压力和温度

呵护着地表的一切

(冰岛极光,极光是地球磁场将部分太阳风粒子引导至两极附近后,轰击大气层产生的发光效应,摄影师@Tea-tia)

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还有活跃的地幔运动

在超过36亿年的时间里

维持着生生不息的板块运动

不断重塑地球的表面

它令高山起落不定

(请横屏观看,远景的喜马拉雅山脉与中景的冈底斯山脉同框,摄影师@孙岩)

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令火山喷涌不息

(2021年3月19日起开始喷发的冰岛法格拉达尔火山,图源@视觉中国)

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令江河奔流不止

(新疆伊犁河谷,摄影师@马俊华)

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令海洋汹涌不宁

(冰岛的黑色海滩,白色浪花与黑色沙滩形成鲜明对比,黄色部位是被植被覆盖的小山,摄影师@何炜)

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令地球成为人类无与伦比的家园

更成为整个太阳系中

独一无二的蓝色宝石

(火星轨道上最强大的望远镜HiRISE拍摄的地球和月球,可分辨出地球上蓝色的海洋、棕色的陆地和白色的云层,图源@NASA)

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是火星的死气沉沉

衬托了地球的活力四射

是火星的黯然死亡

衬托了地球的生生不息

从某种意义上说

火星

是死去的“另一个地球

也是人类认识地球的一面镜子

但即便经历了61年的探索

火星仍然隐藏着许多奥秘

前文所述的各种火星故事

许多还停留在科学猜想的层面

等待着人们去继续探索

继续验证

继续去伪存真

(2021年2月19日,正在降落火星地表的美国毅力号火星车,图源@NASA)

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而这些探索

不应也不会缺少中国科学家的身影

刚刚登陆的

天问一号探测器和祝融号火星车

将是他们的眼睛和耳朵

在未来的数十乃至上百年里

火星的秘密终将被人类破译

火星的地表终将被人类亲自拜访

它的过去、现今和将来

它的物产、风景和可能存在的生命

都将被拉进人类的视野

成就一段

属于宇宙时代的浪漫

(2020年7月23日天问一号火星探测器发射,“天问”是中国行星探测任务的代号,未来还将把我们的视野带向更远的星空,摄影师@Tea-tia)

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本文创作团队

主笔:云舞空城

编辑:所长

图片:潘晨霞

地图:郑艺

设计:王申雯&汉青

审校:牧陆

本文主要参考文献

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