内容提要：这是一部关于两颗孪生行星命运的完整科学史诗。基于2024-2025年最新探测成果，本文将系统回答三个核心问题：证据何在?中国“祝融号”火星车在乌托邦平原发现了何种确凿证据，让火星存在“古海洋”的推论成为可能? 水去何处?火星大气是如何被剥夺的?中国科学家最新揭示的 “拾取离子加速” 机制，如何解释了超过90%水分的逃逸?而NASA“洞察号”的数据，又如何指向一个埋藏地下、全球均深可达780米的巨型水库? 地球何以幸免?对比火星的陨落，地球凭借哪四大协同保护机制(磁场、板块、水循环、生物圈)，维持了数十亿年的宜居稳定?
夜空中那颗明亮的红色星辰——火星，长久以来承载着人类的想象与困惑。这颗行星曾拥有与地球相似的环境条件，为何最终沦为一片荒芜之地?而地球又为何能够维持数十亿年的宜居环境?这场宇宙级的命运分野，隐藏着行星演化的深刻规律。
火星的水文遗迹：失落海洋的证据
多项探测任务揭示了火星湿润的过往。轨道影像显示，火星表面存在大量干涸的河网、湖泊盆地和扇形三角洲，这些地貌特征与地球上的水流侵蚀形态高度相似。对这些地形的高程测量和沉积物分析表明，它们形成于约35亿年前的诺亚纪时期，当时火星可能拥有完整的水文循环系统。
中国“祝融号”火星车在乌托邦平原的探测取得了突破性进展。该区域位于推测的古海岸线以北约280公里，海拔低于古海岸线约500米。在这里，“祝融号”发现了典型的海岸线前积层构造——这是一种在稳定水体边缘形成的沉积结构，其特征性的倾斜层理只能在大型水体(如海洋或广阔湖泊)长期存在的环境中形成。这一发现为火星古海洋的存在提供了直接的地质证据。
(图源：Robert Citron、中国“祝融号”有新发现!火星中低纬度地区曾存在古代海洋_新闻频道_央视网)
这些发现共同表明，火星曾经历长期温暖湿润的气候阶段，其表面温度与气压条件能够支持液态水的稳定存在，持续时间可能达数亿年之久。这一时期足够漫长，理论上为生命的起源和初步演化提供了时间窗口。
保护机制的丧失：磁场衰退引发环境崩溃
早期火星环境稳定的关键因素在于其厚重大气层与全球磁场的保护作用。研究表明，早期火星大气压力可能达到或超过地球现在的水平，二氧化碳等温室气体的浓度足以维持温室效应，使地表温度保持在水的液态区间。
然而，行星命运的差异往往源于基本物理参数的微小差别。火星的质量仅为地球的15%，这意味着其内部热量散失更快。随着内核冷却，液态外核的对流运动减弱，驱动磁场的“发电机效应”逐渐停止。这一过程在约37亿年前开始，至30亿年前基本完成，火星全球磁场衰减至不足地球磁场强度的千分之一。
(图源：维基百科)
失去磁场这面“宇宙盾牌”后，太阳风——这种从太阳持续流出的高能带电粒子流——得以直接冲击火星高层大气。大气分子(包括水蒸气分解产生的氢和氧)在高速粒子撞击下电离并获得逃逸速度，逐渐散失至太空。这一过程如同用砂纸慢慢打磨掉一层保护漆，持续数亿年后，火星大气压力从可能超过1个标准大气压降至目前的约0.006个大气压。
水分逃逸机制：氢离子的“选择性剥离”
中国科学院国家空间科学中心与南京大学团队的研究，通过精密的五流体磁流体力学模型，揭示了火星水分流失的微观物理机制。研究发现，传统理论认为的通过磁尾逃逸的氢离子仅占总逃逸率的5%左右，而超过90%的氢离子损失发生在磁鞘和太阳风直接作用的区域。
这一发现的关键在于“拾取离子加速”机制的详细解析： 太阳风中的高速质子与火星外层大气(外逸层)中的中性氢原子发生碰撞 两者发生电荷交换反应：氢原子失去一个电子成为带正电的氢离子(H⁺)，而太阳风质子获得电子成为中性氢原子 这个新生的氢离子立即被太阳风的对流电场捕获并获得加速 加速后的氢离子获得远超火星逃逸速度(约5公里/秒)的能量，最终脱离火星引力束缚入星际空间。
(图源：NASA)
这一机制如同宇宙尺度的“选择性过滤”，高效地移除了火星大气中最轻的元素——氢。由于水分子(H₂O)在紫外辐射下会分解为氢和氧，氢的持续逃逸实际上在不断消耗火星的水资源。每逃逸两个氢原子，就相当于损失一个水分子。
此外，火星轨道的显著椭圆度(偏心率为0.093，是地球的5倍多)加剧了季节性水分流失。当火星运行至近日点且南半球处于夏季时，太阳辐射强度增加约40%，极地和水冻土层中的水冰升华加剧，大量水汽进入大气层。在缺乏完整磁层保护的情况下，这些水分子更容易在高层大气中被分解并逃逸。全球性沙尘暴期间，大气升温进一步促进水汽垂直输送，加速了这一过程。
地下水库：火星水的最终归宿
尽管表层水大量流失，火星并未完全干涸。NASA“洞察号”着陆器在2018-2022年间记录的1319次火星地震事件，为探测火星内部结构提供了独特数据。地震波在不同介质中传播速度的差异，如同对行星内部进行“CT扫描”。
由多国科学家组成的团队(包括中国科学院地质与地球物理研究所的研究人员)分析地震波传播特征后，在火星地壳5.4-8公里深度发现了一个显著的横波低速层。横波(S波)无法在液体中传播，但其在部分饱和的孔隙介质中速度会明显降低。该深度区间的温度(估计在0-25°C之间)已超过水的冰点，结合其他地球物理数据，最合理的解释是存在液态水充填的孔隙介质。
研究团队估算，这一地下水层的总储量可能相当于覆盖整个火星表面、厚度达780米的全球水层。若以地球上的水体类比，这约等于地球全部湖泊河流淡水总量的30倍，或相当于一个覆盖中国国土面积、深度达8公里的超级湖泊。这一储量与通过地质和同位素证据估算的火星历史失水量基本吻合。
(图源：科普中国、《中国科学》杂志社)
这些液态水被封存在地壳岩石的微小孔隙、裂隙和层理面中。在5-8公里深度，岩石静压力(约100-150兆帕)足以阻止水在0°C以上沸腾，而地热梯度提供的温度又避免了冻结。这种特殊的温压条件创造了一个相对稳定的地下水库，使这些水得以保存数十亿年。这一发现不仅解释了“火星水去向”这一长期谜题，也重新定义了火星的宜居性潜力——生命可能从地表转移至地下深处继续生存。
地球的稳定机制：多重系统的协同保护
与火星相比，地球维持宜居环境的关键在于多重保护机制在数十亿年时间尺度上的协同作用。这些机制相互耦合，形成了一个具有强大恢复力的复杂系统。
1. 持续活跃的磁场防护
地球液态外核(主要由铁镍组成)的对流运动与行星自转共同作用，通过“发电机效应”维持着强大的全球磁场。这个磁层延伸至太空数万公里，有效偏转太阳风粒子，使大气层免受大规模剥离。地球磁场强度约25-65微特斯拉，虽然时有波动和极性反转，但始终保持着基本的保护功能。
2. 活跃的地质与化学循环
板块运动这一地球独有的特征驱动着持续的地质活动。这一过程实现了关键的碳循环：火山活动释放二氧化碳到大气中，增强温室效应;同时，硅酸盐岩石的风化作用吸收大气二氧化碳，将其转化为碳酸盐沉积物。这一负反馈机制如同精密的“行星恒温器”，在数百万年的时间尺度上调节全球温度，使其始终维持在水的液态区间附近。
3. 适宜的天体位置与水文循环
地球位于太阳系宜居带的中心区域(日心距离约1天文单位)，接收的太阳辐射通量(约1361瓦/平方米)恰好在水的三相点附近。配合适当的大气压力(海平面约101.3千帕)，水能够以固态、液态、气态三相共存并相互转化，形成了包括蒸发、凝结、降水、径流和地下水运动在内的完整水文循环。这一循环不仅分配水分，也运输热量，调节气候。
4. 生物圈的主动调节作用
地球生命的出现，特别是约25亿年前蓝藻引发的大氧化事件，彻底改变了大气成分(氧气从微量升至21%)。光合生物通过固碳作用影响碳循环，而生物泵机制将表层碳输送至深海。生物圈不仅是地球系统的产物，也成为其重要的调节者，增强了气候系统的稳定性与恢复力。这种“生物-地质-化学”耦合系统的形成，是地球与火星命运分叉的深层次原因。
双重启示：科学探索与行星认知
火星的环境演化历程为人类提供了双重启示： 科学层面，地下液态水的发现彻底改变了火星宜居性评估。这些深层水资源不仅是寻找地外生命(特别是嗜极微生物)的新方向，也为未来火星基地建设提供了潜在资源，极大降低了长期驻留的物资需求。 认知层面，火星的荒漠化展示了行星宜居环境的动态性与脆弱性。地球当前的宜居状态并非永恒属性，而是多重保护机制精密平衡的结果。火星的过去提示我们，行星环境变化可能经历不可逆的转折点。 结语：宇宙视角下的地球家园
从宇宙尺度观察，火星与地球这对“孪生行星”的分化历程，揭示了行星命运对初始条件与演化路径的敏感性。火星保留了地球可能经历的另一种命运轨迹，这种宇宙级的比较研究，不仅拓展了我们对行星系统的理解，也深化了人类对自身家园独特性的认识。
地球的蓝色生机，是数十亿年物理机制、地质过程与生物活动协同演化的珍贵成果。这一认知促使我们以更审慎的态度对待地球环境——维持当前气候与生态系统的稳定，本质上是在保护一套历经漫长演化才形成的精密平衡系统。
对火星的探索不断提醒我们：在浩瀚宇宙中，地球的宜居环境既是自然的奇迹，也是人类文明赖以延续的基础。理解行星演化的规律，最终是为了更好地认识和守护这颗独一无二的蓝色星球。
参考文献
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[3] 腾讯网. 火星失水之谜：中国科学家揭示氢离子逃逸新机制[EB/OL].(2025.11.25)[2025.12.21]. https://news.qq.com/rain/a/20251125A05LPG00
[4]热点新闻. 重大研究发现!火星地表下有巨量液态水 足可覆盖整个火星表面[EB/OL].(2024.08.13)[2025.12.21]. https://kan.china.com/article/6141098.html
[5]网易. 水是如何“逃离”火星的?这个问题有了新解释[EB/OL].(2020.11.16)[2025.12.21]. https://www.163.com/dy/article/FRIHNQ280530VNN6.html
[6]金投网. “捕获”火星液态水痕迹!中国科学家交出关键答案[EB/OL].(2025.05.14)[2025.12.21]. https://www.cngold.org/c/2025-05-14/c9877230.html
[7]今日头条. 科学家可能在火星表面深处发现了一个巨大的海洋[EB/OL].(2025.05.17)[2025.12.21]. https://www.toutiao.com/article/7505199046974390822/?wid=1766298011385
[8]景德镇市科学技术局. “捕获”火星液态水痕迹!中国科学家找到了新证据[EB/OL].(2025.05.20)[2025.12.21]. https://kj.jdz.gov.cn/kpzs/t1026145.shtml
本文作者：吴淳钊、颜镇卿、陈科遇。
支持单位：海洋负排放(ONCE)国际大科学计划、厦门大学碳中和创新研究中心。
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