火星在科学想象和科幻作品中都占有重要地位。在太阳系的所有行星中，它是唯一一颗足够像地球，可以用类似地球的工具进行探索的行星：它的大气层稀薄透明，表面干燥寒冷，而且距离足够近，可以进行定期研究。几个世纪以来，我们通过望远镜的目镜探测过这颗红色星球。而在过去的50年里，我们甚至还派出了探测器近距离观察。
然而，在地质学的时间尺度上，这只是短暂的一瞬间。火星的深层历史仍然是一个谜。
科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家Eryn Cangi说：“我们在几乎所有的火星研究中都面临的一个主要问题是，我们根本不知道遥远的过去发生了什么。”
科学家们发现了火山、干涸的湖床以及其他表明这颗行星曾经面貌截然不同的迹象，但关于它为何以及如何改变，许多谜团仍未解开。以下是科学家们尚未解开的五个相互关联的难题。
1. 南半球为何如此隆起？
20世纪70年代的维京轨道器（维京1号和维京2号着陆器的伴侣）绘制的地图显示，火星的南北半球差异显著。约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星地球物理学家James Roberts说：“平均而言，南半球高地比低地高5公里，地壳厚度也增加了几十公里。”布满陨石坑的南半球与相对平坦的北部形成了鲜明对比。“至于原因，我们并不真正知道，”Roberts说。
如果南北半球分别位于两个不同的板块上，板块构造就可以解释这种明显的边界。但数据显示，火星地壳似乎只有一个板块，没有断层或足够强的构造活动来造成我们所观察到的现象。
研究人员提出了其他解释，包括早期太阳系历史中的一次巨大撞击，类似于形成我们月球的撞击。然而，Roberts解释说，如此巨大的撞击体应该会留下一种科学家们尚未识别出的盆地，但这并不意味着该假说被排除。
或者，行星内部的加热可能是不均匀的。南半球下方的地幔柱——可能本身是由一次撞击引发的——既可以抬升又可以增厚该行星的一半，从而解释了更高的海拔和地壳厚度。然而，细节很难通过实验证实。
Roberts说：“要做到这一点，就需要部署一个庞大而复杂的地震仪网络。这种全球性的观测可以帮助确定不同半球是否经历不同的地震活动，并测量行星各地的地质活动强度，而不是仅仅在一个点上。“（‘洞察号’着陆器很棒，但只有一个站点，能做的有限，”他解释道。
2. 水都去哪儿了？
自20世纪90年代末以来，美国宇航局的火星全球探测器和火星勘测轨道飞行器以及其他轨道器已经绘制了干涸的河道和看起来像古代海岸线的图像。火星车也发现了其他迹象表明，火星过去比现在更湿润。
Cangi说：“我们不知道水在表面特别稳定时究竟是什么时候。我们认为那是在火星历史的非常早期，但我们没有足够的数据点来理解（条件）是如何随时间变化的。”
所有这些水都去了哪里也不清楚。Cangi和其他研究人员正在研究气体如何通过氢及其同位素氘逃逸出火星大气层。这些过程可以解释水是如何首先蒸发，然后消失到太空中的，但这仍然无法解释数百万或数十亿年前的状况。
一些科学家推测，这颗行星的低洼北部曾经存在过一片海洋。另一些人则更加怀疑，他们指出，如果我们不知道如何让相对较小的湖泊和河流在火星上消失，那么让一片海洋干涸就更加困难了。支持存在大片水的证据也很稀少。
来自加拿大地球行星研究所，并且对火星遥感数据进行了广泛研究的行星科学家Tanya Harrison说：“我们应该看到海岸线的证据，但它们就是不存在！而且，在北部平原上，也没有真正能看到（来自）海底沉积物的证据。”
3. 火星为何是一颗冰球？
已知的主要水源被冻结：火星的冰冻圈。
科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家Margaret Landis说：“火星在近地表和极地的地表下有冰。问题是我们不知道它们是如何形成的，（也不知道）极地冰盖的质量是在增加还是在减少。”
极地冰盖最早是在17世纪被观测到的，直到后来科学家们看到它们随着季节的推移而生长和缩小，才确认它们是冰。美国宇航局的火星奥德赛号探测器和凤凰号着陆器（在约北纬68度着陆）通过着陆器挖掘出的白色融化物质，证实了地下冰的存在。
Landis说，要掌握冰冻圈的历史，就需要进行像地球上的地质学家和气候学家那样进行的全球性研究。这意味着需要收集冰芯、岩石芯和其他样本，而这些样本无论是通过机器人还是未来的人类研究人员都很难在火星上获得。
4. 是否存在甲烷？
科学中最令人沮丧的事情之一就是数据不一致。欧洲空间局（ESA）的火星快车轨道飞行器在21世纪初首次测量到火星大气中的甲烷。后来，美国宇航局的好奇号火星车在表面检测到了这种气体。在地球上，甲烷通常是由生命产生的，所以在火星上发现它可能非常令人兴奋。
Cangi指出：“后来探测甲烷和了解其长期变化的工作并不成功。他提到，自2016年抵达火星以来，灵敏的ESA和Roscosmos联合研制的痕量气体轨道器（ExoMars Trace Gas Orbiter）一直未能发现大量甲烷。“我们认为我们从下方看到了地表上的甲烷，但从上方却看不到任何东西，”Cangi感到困惑。
非生物过程也可以产生甲烷（蛇纹石化就是其中一个例子），因此解决数据不一致的问题并不能帮助寻找生命存在的证据。然而，理解测量结果为何不匹配是火星研究的一个持续重点。
5. 行星的摆动幅度有多大？
这些谜团之间的一个联系是缺乏关于这颗红色星球倾角（其自转轴的倾斜角度）的数据，而倾角反过来决定了其季节的明显程度。目前，火星的倾角与地球几乎相同，但在数十亿年里，这两个行星都会发生摆动。我们可以追溯地球的倾角变化，但我们还没有关于火星的这方面信息。
Cangi说：“我们认为倾角在很长的时间尺度上会混沌地变化，所以你无法预测它。也许火星会直立旋转，也许它会像天王星一样躺着。这对于气候有很大的影响：如果你有一个行星侧躺着自转，那么有半年时间，它的一整面都没有白天。”
然而，长期的白天可能会解释火星为何曾经足够温暖以维持液态水。但是，如果假设这发生在过于久远的过去，也会带来其自身的问题，因为年轻的太阳比现在要暗淡和寒冷。
了解火星何时以及如何变暖，需要比研究人员通过目前和未来的目标性地面任务（包括载人任务）所能获得的数据更详细的信息。而这不仅仅是出于好奇。
Landis说：“这是另一颗类地行星的气候历史。它可以让我们了解我们对一颗可能类地气候的演变过程的认识翻倍。“更严峻地说，类地行星的气候如何变化，是我们为地球上的政策制定决策需要非常明确答案的问题。它对理解火星之外的许多事情都有深远的影响。”
本文最初由Eos发表。
