毋庸置疑，除了地球之外，不管是太阳系内的其他行星、还是系外行星，人类最为关注的星体类型之一便是类地行星。就其主要原因来说，其一是可以帮助我们对地球演化有更深入的了解，其二则是为了寻找另一颗，与地球一样适合生命居住的星球。而火星便是太阳系内的一颗类地行星，也是大家在相对更短的时间内想要登陆的一颗星球。
在太阳系中，火星是由内向外数的第四颗行星。虽然，它的自转轴倾角、以及自转周期都跟地球具有很大的相似度。但是，由于火星的直径仅为地球的53%左右、质量仅为地球的14%左右。这导致其公转一周的时间，大概需要花费两倍地球公转的时间。根据我们目前的探测结果来看，不同于如今火星环境的寒冷干燥，古代火星应该是温暖而潮湿的。那么，古今火星环境的强烈对比，与该星球上的沙尘暴现象是否存在关联？
火星的演变-行星上的自然环境从温暖潮湿变得寒冷干燥
如今的火星是一颗寒冷干燥的沙漠行星
当我们将太阳系中的所有行星进行外观上对比的时会发现，似乎每一颗星球都有自己独特的色彩形态，深蓝色地球、浅蓝色海王星、金黄色水星等。相信很多人都不会对火星的橘红色外表感到陌生，它之所以会呈现出这样的颜色，其实是因为地表被氧化碳（赤铁矿）所覆盖。
火星这个名字，并非从人类发现它的存在就开始使用，“荧惑星”是我国古代古书上对火星的称呼，“玛尔斯星”则是西方古罗马时期对火星的称呼。现在的火星，似乎用沙漠行星来形容它会更加准确。不仅没有液态水体被科学家们发现，而且，就连地表也总是被大大小小的砾石和沙丘所覆盖。
现在的火星环境，寒冷干燥（图左），火星早期的环境，包含液态水和较浓厚的大气（图右）
虽然，火星也具有地球地貌的多样性，峡谷、高山和平原也有在该星球上零星分布。但是，除了南北极的干冰和水冰组成的极冠之外，风成沙丘则更为广泛的分布在火星这个橘红色星球上。而火星大气的稀薄程度，可能只有通过它与地球之间的对比，才能让大家对此有更清晰的认知。
这样的低温环境让二氧化碳和水都会被冻结，这也是为什么火星的两级，目前已经被干冰永久性覆盖。或许很多人都有所不知：覆盖在两极的冰罩，拥有“层叠式”的结构，即便是星球的北部处于夏季，虽然二氧化碳可以彻底升华，但剩下的冰水层却纹丝不动。通过海盗号的观测，我们了解到火星上季节更替所导致的两极覆盖层变化，大约会使得火星的气压出现25%左右的波动。
火星的大气密度仅相当于地球大气密度的1%左右，气候干燥而寒冷的火星表面仅能维持平均零下55摄氏度左右温度
古代火星地表曾被丰富的水资源覆盖
早在2013年的时候，就有科学家对原始火星的真实情况进行了复原：火星的原貌竟然与如今的地球出奇的一致，其表面并不是只有沙漠，更多的是山川和海洋。在整个火星地貌还原的过程中，研究人员不仅收集了现有的火星轨道探测器所收集的地形资料。同时还将地理纬度和大气环境等因素也考虑到了其中，包括地球上的撒哈拉大沙漠的地形纹理特征。
比如说，火星上的那些环形火山，由于它们的海拔太高，所以这些地区不同于平原地区，并不会被很多绿色植物覆盖。火星上的极地、高纬度、低纬度地区，参考了地球上的冰川和苔原地貌；火星上的极地纹理数据，参考了俄罗斯的北部地区；而地球上的非洲和南美洲雨林，则为火星亚热带和热带提供了纹理参考。虽然，这样的复原并不等同于科学事实，但却因此而将人类对火星的探索欲望变得更加强烈。
飞行器的HiRISE相机捕获的地下冰，其横断面露出了明亮的蓝色，隐藏在火星表面之下的巨大冰层。
在过去的很长一段时间里，尽管人类认为火星北半球上广阔的低地平原，应该是干涸了的古代海洋。但却一直都没有有力的证据可以说明这一点，直到后来火星勘测轨道器捕获了特殊的火星图像。科学家们就是通过这些资料，识别出了冲击三角洲到巨型海洋的水流特征。虽然，这样的研究结果不能和直接证据划上等号，但却对古代火星被广阔的海洋所覆盖这一理论给与了支持。
HiRise相机所捕获的稀缺火星图像，内容是该星球北半球低地地区的一个小片区域。具有高分辨率的图像，能够识别地表大约25厘米直径的物体。这是一个名为“Aeolis Dorsa”的区域中的一部分，与盖尔陨石坑相距大约1000公里，面积大约在100千米左右。该区域中分布了许多隆起的脊线，这是长期流水沉积留下的典型特征。而脊线分布也呈现出扩散状态，逐渐降低的脊线末端就跟地球上的河流三角洲相似，这也是科学家们将其认定为曾经存在广阔水域的根本依据。
数十亿年前的火星表面，其中有大部分地区都被广阔的海洋所覆盖。
火星沙尘暴-80公里的尘埃塔与火星如何失去水分有关
火星沙尘暴的形成和后果是怎样的？
我们已经大致了解到了火星的过去，以及该星球现状的一些基本事实。而我们现在需要弄明白的是，古代火星之所以会变成现在这个样子，到底是因为在其演化过程中经历了什么？客观而言，一颗星球从温暖湿润变得干燥寒冷的原因，当然不止一个。在之前的许多研究中，也已经证实太阳风对火星气候的演变造成了很大的影响。
而今天我们要探讨的则是如今火星上普遍存在的自然现象沙尘暴，以了解其与火星失去水分是否存在关联。火星上的沙尘暴和地球上其实是一样的，都是因为阳关照射地面后，空气对流上升后吸收了地冕的热量，沙尘暴就像旋风一样席卷开来。对火星尘埃的观测，可以向我们提供火星上的风向、地表和大气三者之间相互作用的重要信息。
火星尘埃越过地平线，越过了靠近火星探测车的黑暗沙丘。
火星上的巨大沙尘暴，都形成于一些较小风暴的失控，而达到最大威力的沙尘暴则会变成震撼全球的巨像。比如，2018年在火星上发生的那场沙尘暴，便标志了机会漫游者在火星探索之旅的终结。正是这些凶猛的沙尘暴催生了高达数十公里的火星高塔，火星表面快速上升的尘埃区域，其大小和罗德岛相当，而2018年升起的尘埃塔就高达80公里。
为什么我们会关注火星上因为沙尘暴形成的这些尘埃塔？当沙尘暴衰减并结束上升，形成的尘埃塔便很可能拥有56公里左右的尘土。这不是一个小数字，因为它几乎可以和美国大陆的大小等同起来。而这样的现象背后，其实还蕴藏了火星在演化过程中失去水分的原因之一。而这项由火星尘埃塔引发的新研究结论，也已经在《地球物理研究：行星》上刊登发表，该研究的主要作者叫做尼古拉斯·天堂。
火星沙尘暴期间半球图，颜色表示灰尘阻挡的光（红色最极端），三个Tharsus Montes火山及Olympus Mons（右）
火星尘埃塔与行星失去水分有何关联？
火星上的全球沙尘暴现象，大约会每隔3年左右的时间发生一次，它们的产生可以说的是独一无二的。至少我们的地球上是不存在这般威力的沙尘暴，而且地球上的天气总是在几个月的时间之内就会发生明显的变化。而且，火星尘埃塔的出现时间，其实并不局限于全球沙尘暴期间。只不过火星侦察轨道器是在2018年的风暴中，观测到了以往不曾发掘的一些新信息。
在一般情况下，火星上的灰尘只需要大约一天的时间便可以掉下来，而全球风暴中形成的尘埃塔，则耗费了数周的时间才达到一样的结果。这些可在全球风暴或其他时期形成的尘埃塔，会因为太阳的加热效应而被上升到大气层。我们可以通过地球上的相似场景来理解，这就好比是地球上的积雨云和雷雨云，会在强风暴期间形成一样。
浓密的尘埃云堆积到地面上方数十英里处，在火星上形成了黄白色的云“尘埃塔”（该图像底部中央）
为什么说火星尘埃塔，可以解释火星为何会失去水分？这其实就是因为太阳辐射会在火星的高海拔地区分解水分子，而火星上尘埃塔的存在，至少能够在一定程度上解释，水为什么会在数十亿年之后从火星消失。当然，科学家们对火星沙尘暴的研究相对较少，迄今为止的研究项目大概还不到12个。
人类对于火星上全球沙尘暴的形成原因还不是特别了解，科学家们也需要通过火星气候建模来更深入的了解火星。不管是火星上的扬尘过程、实测火星尘埃循环和火星表面尘埃储集层之间的相互作用，还是大气总循环和机载尘埃之间的辐射动力反馈，这些都是科学家们需要通过探测去了解的重要信息。
注视火星风暴的火星侦察轨道器，可以跟踪火星的表面和大气温度，以及空气中的灰尘量。
在之后的时间里，科学家们将通过火星气候探测仪来了解火星大气，包括其中的灰尘含量、湿度和温度等特性。我们不仅会知道时间变化和火星大气循环之间的关系，而且，还可以对火星大气层的演变，以及水分流失的原因有更深入的认识。当我们对火星大气和气候的演变有了充分的观测数据，便能更准确的回答“火星为何会变得现在这样寒冷而干燥”这个问题。
作者：文/虞子期
