历史的脉络
地球与火星之间的距离是周期性变化的。当太阳、地球、火星三者排成一条直线，且火星和地球位于太阳的同一侧，此时被称为“火星冲日”。如果火星与地球之间的距离最近则称为“火星大冲”。根据三个天体的运行轨道，火星大冲每隔15～17年发生一次。在航天时代之前，火星大冲是观测火星的最佳时期，也是许多天文学家期待已久的重要时刻。
发生在1877年8月的火星大冲获得了具有深远影响的两个观测发现。其一是阿萨夫·霍尔获得的，他利用美国海军天文台的66厘米折射望远镜发现了火星的两颗卫星。这两颗卫星的平均直径分别只有22.2km和12.4km，若不是赶上火星大冲是很难被发现的。霍尔给这两颗卫星分别取名“害怕”（Phobos，福布斯）和“恐惧”（Deimos，德莫斯），他们是罗马神话中战神玛尔斯（Mars）的两个儿子。
其二是意大利天文学家乔凡尼·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）发现了火星“运河”。夏帕雷利是位于米兰的布雷拉天文台的台长，拥有使用天文望远镜的便利。在火星大冲期间，他发现火星表面布满了纵横交错的细线。在用意大利语写的论文中，他推测这些细线可能是火星上的“河道”（Canali）。Canali泛指河网体系，并无特指是人工开凿的还是天然形成的，对应的英语单词为Channel。但不知是媒体为了吸引公众眼球有意为之，还是译者的疏忽大意，夏帕雷利发现的Canali在英语报道中被译成了Canal（运河）。虽然仅比意大利语少了一个字母，但其字面含义却从泛指的“河道”变成了特指的“运河”。运河当然需要大量人工才能挖掘，自然而然就让人们联想到火星人、火星航道、火星灌溉和火星农业。
火星运河一经报道便立即吸引了全世界的关注，并激发了一批狂热的追“星”族，居住在美国波士顿的富翁罗威尔（P. Lowell）就是其中一位。一个偶然的机会，罗威尔看到英文报纸上关于火星运河的报道，从此入迷并穷其一生投入其中。他放弃了大部分生意，购买了当时最好的望远镜，在亚利桑那州高山上的旗杆镇建立起一个私人天文台。罗威尔自己任台长，并高薪聘请天文学家帮他寻找火星运河和火星人。
罗威尔至死也没有找到火星人，他孜孜以求寻找的火星运河后来也被证实为子虚乌有的误读。但科学上的努力不会白费，1930年，罗威尔天文台聘请的观测助理、年仅22岁的农村少年汤博，利用罗威尔斥资建造的天文望远镜发现了冥王星，并长期被视为九大行星之一，这一发现拓展了太阳系的疆域。
有意栽花花不发，无心插柳柳成荫。科学史上的重大突破往往会在看似匪夷所思和不经意间实现。坐在苹果树下冥想的牛顿，被苹果砸中而想到万有引力；致力于寻找火星运河的罗威尔天文台，却发现了冥王星；阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在研制无线电天线时，一心希望消除天线噪声，却发现了怎么也消除不掉的宇宙微波背景辐射，成为支撑宇宙大爆炸理论最重要的证据。
基础性的科学研究是一项社会公益事业，看似毫无回报，却可以拓展人类视野，提升人类能力，从而改变人类观察世界的角度，成为牵引人类社会文明进步的唯一动力。从这个意义上讲，基于兴趣的自由探索研究其回报是巨大的。科学研究是全人类的共同事业，每个民族都不能只是索取，都有义务和责任投入其中，作出本民族的应有贡献。看看大中小学的教科书，有多少知识是我们中国人首先发现或提出来的呢？所以，在对人类知识库的贡献上，我们还需要更加努力。
深远的问题
“春江潮水连海平，海上明月共潮生。”《春江花月夜》中描绘了一幅明月升起、江河入海的唯美画面，这样的场景是否也曾出现在火星上？
从轨道遥感到表面巡视，结果表明，如今的火星表面没有任何的液态水体。火星上的水是何时开始消失的？是埋藏到了地下，还是逃逸到了太空？是通过什么方式、用了多久才消失殆尽的？
水是生命之源，地球上的水孕育了丰富多彩的生物世界和纷繁复杂的物种演化历史。根据地球的经验，行星上孕育生命除了需要组成生命物质的原料、作为反应溶剂的水、适宜的环境条件等要素外，还需要漫长的演化时间。火星上的水体持续了多长时间？持续时间是否足以让火星孕育出生命？
如果火星曾经孕育出生命，那么，火星生命发展到了什么阶段？是低端的微生物还是高端的植物和动物？在火星上可以发掘到古生物化石吗？地球上的生命是如此孤独，他们迫切地希望在宇宙中找到自己的同类，这是人类探索火星的基本出发点之一。
人类在地球上的命运十分脆弱，不仅面临地震、海啸等重大地质灾害，还需要面对超级太阳风暴、小天体撞击地球、地球磁极倒转等重大天文灾难。在灭顶之灾来临之前，人类必须在太阳系中找到一个避难所，这是深空探测的使命和责任。否则，现在高高在上的我们也只能像曾经统治地球的恐龙一样，成为地层中的一堆堆骨骼化石。
环视太阳系，火星是唯一与地球环境最相似的星球。那么，如今的火星环境是否适合人类生存？奔向火星的“诺亚方舟”何时才能造就？登陆火星人类何时才能实现？
探索的足迹
进入航天时代以来，美国人成为了火星探测的幸运儿。他们不仅保持着极高的成功率，而且接二连三的重大科学发现使美国至今保持着全球深空探测的领导地位。
1976年着陆火星表面的“海盗1号”和“海盗2号”是火星生命探索的先驱，其主要目标是探索火星上有无生物，希望通过生物科学实验直接确定火星红色土壤中是否存在生命，但结果并没有获得火星生命的证据。
进入新世纪以来，人类先后发射环绕火星的轨道器、着陆在火星表面的着陆器、巡视探测的火星车，开展了高分辨率的地形地貌成像，并运用了雷达探测、光谱、质谱和中子分析等多方面探测手段，获得了流水侵蚀、河流冲击扇和三角洲等地貌特征，发现了水成矿物和盐湖沉积、沉积岩石地层，以及极地冰盖、大气中的甲烷和水蒸气等系列证据，证明火星表面曾经有过大规模的水体活动，暗示火星曾经有过适宜生命繁衍的环境特征，并可能发育过生命。
2001年 奥德赛号：水流痕迹
奥德赛号的全称是2001火星奥德赛探测器（2001 Mars Odyssey），于2001年4月7日发射升空，同年10月24日到达火星轨道。这是一颗环绕火星进行探测的轨道器，利用火星大气阻力进行减速以进入环绕火星轨道。2002年1月，奥德赛号气阻减速完成，同年2月19日开始科学任务。
奥德赛号耗资约2.97亿美元，由洛克希德·马丁公司研制，主要承担火星探测漫游者（机遇号和勇气号火星车）、凤凰号着陆器与地球之间的通信中继任务，同时探测数种元素的全球分布及其含量，寻找火星表面水与火山活动的痕迹。
2003年 机遇号和勇气号：粘土矿物
机遇号和勇气号是一对“孪生兄弟”，于2003年年中发射升空，2004年1月降落在火星，最初“工作任务”是完成3个月火星探险，到2013年8月已离开地球10周年。勇气号于2010年停止工作，而机遇号依旧孜孜不倦，不断发回探测成果。
2013年5月，机遇号火星车在一块岩石中分析发现了丰富的粘土矿物。粘土矿物是水与岩石发生长期反应，导致岩石的化学成分发生重大改变而形成的，这说明曾经有大量的水流经并浸泡这块岩石。
这块名为“埃斯佩朗斯6号”的岩石表面覆盖着尘埃和杂质，机遇号一共尝试了7次，才磨掉表层物质，进而分析石块内部的物质组成。这块岩石中的粘土矿物富含铝，非常类似于地球上的微晶高岭石，说明当时流经岩石缝隙的水是中性的。埃斯佩朗斯6号形成于火星历史最初的10亿年，是机遇号检测过的最古老岩石。
机遇号此前分析过多块岩石，虽然也都发现火星曾经有过湿润环境，证明火星上曾经有过水体活动。但是，这些水体大多是酸性的，而生命的进化和繁衍需要一个中性的环境，在酸性环境中很难通过化学反应转化为生命。此次，机遇号发现可饮用的中性水，成为可以支持生命诞生的重要证据。
2004年 火星快车：海岸线和沉积物
如今的火星表面类似于地球上的戈壁滩，是一片不毛之地。但已有证据显示，火星上曾经两度存在海洋。大约40亿年前，随着气候逐渐变暖，埋藏在地下的大量冰融化后涌出地面，形成了最早的火星海洋。之后环境恶化，液态水逐渐退回并冻结于地下。另一次火星海洋则出现在30亿年前。
2004年欧洲空间局发射的火星快车，获得了火星的可见光图像数据、矿物分析数据，以及大气观测结果，证明火星曾经有水。但是，曾经庞大的火星地表水体后来到哪里去了呢？
2012年2月，火星快车上的雷达探测结果展示了火星地表以下60～80米的情况，发现北部平原的地下存在一层低密度物质，可能是某种富含冰的沉积物。这层低密度物质让人不由地联想到地球海床中也有类似的沉积物。更重要的是，这层物质正好位于此前任务发现的火星海岸线以内。这说明火星干涸的北部平原在数十亿年前可能是一片汪洋，如今的红色行星可能曾经是一个蓝色星球。
2005年 火星勘测轨道器：大气潮汐
火星勘测轨道器测量到火星大气一天中的最高温度不仅出现在中午时刻，还会出现在午夜之后。这种每天出现的大气温度和压力的振荡被称为大气潮汐现象（2013年7月《地球物理研究快报》）。
火星大气在一年中的大部分时间都有水冰云——类似地球上薄卷云一样的相对透明的云。水冰云每天通过中层大气吸收足够热量。当进入黑夜，这些水冰云的辐射效应开始显现，导致火星大气出现潮汐现象。
2008年 凤凰号：发现水冰
2008年5月25日，凤凰号在火星北半球的北方大平原着陆。它在北极附近的永久冻土带采集和分析火星土壤样本，进行了5个月的成功探测，首次证实火星上确实有水存在。凤凰号还发现了火星土壤中含有高氯酸盐，这是许多微生物赖以生存的化学物质。
凤凰号着陆器有一个高温炉和质谱仪的结合体——热量和挥发气体分析仪，用来分析火星土壤样品。机械臂于2008年5月31日首次接触火星土壤，挖掘的土壤样品被送到该仪器的高温炉中密封并加热。当温度加热到0摄氏度时，质谱仪检测到了水蒸汽，证实火星土壤中含有水冰。
当高温炉持续加热到1000摄氏度时，土壤中的其他挥发性物质会蒸发成气体，通过惰性载体送到质谱仪，即可检测到土壤中存在的微量有机分子。
2011年 好奇号：黄刀湾淡水湖
2011年11月26日，美国发射了好奇号火星车，于2012年8月6日登陆火星。好奇号耗资26亿美元，重899公斤，外壳宽4.5米。重量是机遇号和勇气号的3倍，体积是他们的2倍，大致相当于一辆SUV汽车。
好奇号搭载了11种不同的科学仪器，是人类有史以来制造的体积最大、性能最高，也是最昂贵的火星车。好奇号着陆在火星盖尔坑内中心山脉的山脚下，科学使命是探索火星在历史上或如今的环境下是否适宜生命生存，为最终发现火星生命做准备。
2012年9月，好奇号发回了距离着陆点400米的“格莱内尔格”区域中古老河床砾岩层的图像。这些图像展示了砾岩中的石子大小和形状。石子大小介于沙粒到乒乓球之间，其中不少是圆形的，很像是地球上河床底部的鹅卵石。石子的形状和大小组合透露出它们是被水流长期冲刷、磨蚀而成的。若要冲刷形成这种尺寸的光滑鹅卵石，河流的水速应该为每秒0.2米至0.75米之间，水深在0.03米至0.9米之间。
2012年在盖尔坑着陆后，好奇号发现着陆点附近有一个深达5米的沟槽，其中存在热异常现象。好奇号对沟底的沉积岩进行了钻探分析，结果证实36亿年前那里曾经是一个至少存在了数万年的湖泊，湖泊长约50千米，宽约5千米。湖泊遗迹所在区域被命名为“黄刀湾”。
科学家分析了从黄刀湾两块岩石样本中提取的粘土，发现湖底区域的pH值呈中性，盐度很低，说明黄刀湾曾经是一个淡水湖。而当时火星上的其它地区要么已经干涸，要么分布着含盐量高、不适合生命存活的酸性湖泊。
好奇号在湖底沉积物中还发现了碳、氢、氧、硫、氮和磷等关键生命元素，表明黄刀湾理论上可以支持一些简单微生物的生存，这些自养型的原核微生物能通过分解岩石和矿物获取能量。在地球上某些洞穴和热泉喷口，也经常可以见到这类微生物。
黄刀湾的水体平静，水质中性，拥有丰富的、生命所需的化学成分等，这些都是生命存活的重要条件，说明黄刀湾曾经是一个非常适合火星生命存活的湖泊（见2013年12月9日Science杂志）。虽然科学家还没有掌握火星存在远古生命的直接证据，但这无疑是火星生命搜寻过程中非常积极的突破性进展。
好奇号的主要任务是寻找火星上可能适宜生命生存的地质环境，火星车上并没有配备可以直接探测生命迹象的工具，所以寻找有机碳就成为搜寻火星生命的重要途径。在火星上高强度的宇宙射线照射下，有机碳在火星表面的保存时间有限。好奇号的钻探设备可以钻至5厘米深处的岩石样本，有机碳在这一深度的岩石中可以保存7000万年左右。下一步，好奇号将寻找化学条件更利于保存有机物、有机物含量较高、辐射暴露时间较短的岩石样本。一旦好奇号检测到有机碳，那将是火星曾经有过生命的直接证据。
2013年 马文号：揭开火星大气之谜？
2013年11月18日发射的马文号火星探测器耗资约6.7亿美元，配备了8种研究火星大气成分、上层大气、太阳风相互作用和电离层的高精度科学仪器，主要目标是精细探测火星大气，寻找火星气候变迁的动态原因，揭开火星大气层变稀薄之谜。
寻找火星生命关键问题
（一）水是生命之源
好奇号将细颗粒的火星土壤加热到835摄氏度，结果分解出了水、二氧化碳以及含硫化合物等物质。其中，火星土壤的含水率约为2%（重量百分比），只须加热0.03立方米的火星土壤，就可以获得1升水（见2013年9月26日Science杂志）
火星土壤含有丰富的水，对未来载人登陆火星无疑是个激动人心的好消息。登陆火星的宇航员只需要铲起火星土壤进行加热，就可以获得水，从而有望大大降低载人往返火星的运输量，实现人类早日登陆火星。
好奇号同时还获得了对载人登陆火星不利的消息，根据对火星大气的分析，发现火星大气主要由二氧化碳、氩气、氮气、氧气和一氧化碳组成，其中二氧化碳约占96％，氩气和氮气各占1.9％，而对生命至关重要的氧气则微乎其微。
通过高温加热分析，好奇号测量了火星土壤中各种气体的氢与碳的同位素比值，结果发现土壤中重氢、碳的同位素比值与火星大气测量值相近，说明火星土壤与大气存在十分广泛的气体交换。火星土壤就像会呼吸的生物体一样，与火星大气进行着水和二氧化碳的交换。
（二）甲烷成因之谜
火星大气中的甲烷是有机成因还是无机成因，甲烷源自何处，这是当前火星探测的热点科学问题。2004年欧洲发射的火星快车在火星大气中检测到30ppb低浓度的甲烷气体。2014年10～12月，好奇号监测到火星大气中甲烷的平均含量大幅提高又很快消散的现象，说明火星上有相对固定的物质在释放甲烷。
根据地球的经验，火山喷发或地热活动会释放二氧化硫、二氧化碳，以及甲烷和乙烷等碳氢化合物；埋藏于地下的天然气水合物（又称可燃冰）可以释放出甲烷；微生物活动也会释放甲烷和硫化氢。所以，火星大气中的甲烷有可能是地质过程释放的，也可能是生物过程释放的。如果一旦证实甲烷是微生物活动释放的，那将是爆炸性新闻，届时就可以宣布火星上发现了生命。
未来的希望
由于地球和火星的轨道运动差异，火星探测器的发射窗口每26个月才会“打开”一次。截至2013年底，人类共进行了42次火星探测活动，其中成功的只有22次。从1996年以来的8个发射窗口，已经发射了11颗探测器，这些任务的成果十分丰硕。火星已经成为除地球之外人类认识程度最高的行星，甚至超过了人类已经登陆过的月球。
现在的火星寒冷而干燥，大气层厚度仅有地球的百分之一。但各种证据表明，火星曾经温暖湿润，曾经有过厚厚的大气层。大约40亿年前，火星发生过巨大变动，导致环境剧变，这或许是由于大规模火山喷发，或许由于遭受大型撞击，也可能是由于猛烈的太阳风带走了大部分大气等等。不过自那以后，火星大气基本稳定，至今没有发生大的变化。
从追踪水的痕迹，到探讨火星环境是否可能孕育生命；从寻找大气层中的甲烷，到发现有机物存在的证据。对火星生命的好奇心和对人类未来命运的危机感，吸引着我们一步步探索火星。虽然每一次探索任务的突破都是有限的，但或多或少都会带来一些新的发现，这些逐渐积累起来的探测成果，终将变成人类移居火星的巨大力量。
（作者：郑永春，中国科学院国家天文台）
