從月球到火星

撰文∕施密特（Harrison H. schmitt）
翻譯∕甘錫安 
 

　　 40年前的7月，月球表面首度出現生物。40年後，火星會不會同樣出現生物？美國總統歐巴馬重申前任總統於2004年提出的太空航行遠大目標：太空梭將於2010年除役，美國將開發新一代的戰神火箭，於2020年重返月球，接下來可能在2030年代中期繼續前進火星（請參閱2007年11月號〈奔向月球那一天〉），這項計畫稱為「星座計畫」。

　　就目前而言，美國政策制訂者比較關心的其實不是火星，而是最後一次太空梭升空到戰神火箭首次飛行之間的空檔，因為在這段時間內，美國如果想將太空人載運到太空站，就必須依靠俄羅斯或私人企業。這段空檔時間原本預估為兩年，現在已經延長為六年，今年5月，歐巴馬執政團隊宣佈，將請經驗豐富的航太專家奧古斯丁（Norman Augustine）主持一項計畫審查，設法讓太空計畫重新步上軌道。

　　儘管距離登陸火星的目標還相當遙遠，美國航太總署（NASA）至少已經開始著手設計日後可以航行於行星間的太空船，規劃人員的參考依據，就是本文作者施密特在文中提到的相關經驗。

　　比科羅拉多河大峽谷兩側更高的山峰，矗立在細長狹窄的陶拉斯–利特羅峽谷上方；比地球上任何地方所見更加明亮的太陽，照亮了隕石坑底部和陡峭的山坡，與黑漆漆的天空形成強烈對比。1972年，我和同組人員賽南（Gene Cernan）在為期三天的任務中，造訪了這座有將近40億年歷史的山谷，探索了山谷中年代略晚一點的火成岩和火山灰，阿波羅太空計畫就此劃下句點，那是史上第一次，也是目前為止唯一一次有地質學家到另一個星球進行實地的研究。如今，美國、歐盟、俄羅斯都有國際合作團隊計劃將太空人送往火星，執行實地研究工作，而且可能會在2030年之前成行。對於第一位有幸目睹火星日出的地質學家而言，有哪些事物是已經相當熟悉的？又會有哪些新的經驗？

　　關於阿波羅太空任務的報導，大多將重點放在它的歷史記錄和高科技成就，但參與任務的我們還記得科技程度不高、比較人性的另一面：在月球表面徒步行走，用地質鎚開鑿、搬運岩石，以及在外太空環境下辨別方位等，這些實地探索的原則和技巧都是地質學家很熟悉的，並沒有什麼特別，目的也依然是描繪自然特徵的結構、記錄相對年代和變化，以便推斷其由來，以及未來是否可能提供資源給人類使用。另外，即使在地球之外，關於規劃和執行探索任務的做法，例如該怎麼蒐集與記錄樣本（如果有的話）等，也沒有改變。如果不大可能再度造訪同一個地方，這些做法就顯得更加重要，尤其是我們必須具備人類的感性、經驗與想像，才能充份了解探索任務的科學與人文價值。

　　每次要探索新的天體時，我們都必須以前一次探索其他地方的經驗為基礎，地質學家這200多年來探索地球時也是如此。我們必須不斷地問，哪些可能是類似的？哪些又可能是不同的？火星的地質、可達性、探索策略和最佳人員組合，跟阿波羅計畫的經驗相較之下有何不同？

親臨月球現場 
　　地球上影響地質樣貌的作用十分複雜。地殼、岩漿、水和大氣的交互作用、海洋板塊和大陸碰撞、來自太空的天體撞擊，以及包含人類在內的生物圈都會改變地貌。在月球上，過去40億年的作用大多是外在的，只來自撞擊和構成太陽風的高能量粒子作用（請參閱2004年1月號〈重返月球〉）。

　　月球沒有大氣，因此表面物質直接暴露在太空的極度真空之中。以秒速數十公里飛行的隕石與彗星（其中有些可能小如塵粒）不斷撞擊月球，改變月球上的岩石、岩石碎片、玻璃和塵土，這樣的過程產生了細小且有部份表面光滑的碎屑，覆蓋在大多數年代較久的火山碎岩流和撞擊形成的地層表面，厚度往往達數公尺，稱為「月表岩屑」，常被誤認為是月球的土壤。因此，在月球上進行實地探索時，地質學家必須擁有可與X射線比擬的視覺。為了找出主要不同岩石之間的界面（也就是接觸面），我必須仔細觀察月表岩屑在撞擊下逐漸形成與擴散的過程，如何掩蓋了岩石中礦物、色彩與紋理原有的對比。

　　舉例來說，我在陶拉斯–利特羅峽谷中，觀察了兩種岩石的接觸面，一種是紋理較細的深色玄武岩，另一種是年代較早的灰色碎裂岩石，稱為撞擊角礫岩。這個接觸面剛形成時應該相當鮮明，兩種岩石之間明顯不連貫。但是暴露在太空中38億年後，有幾百公尺長的接觸面已經變得模糊不清。在另外一個地方，沙土崩落沉積物和深色表岩屑之間的接觸面，從山崩發生至今的一億年間僅延伸了數十公尺。弄清楚這些接觸面改變的過程之後，我就能判定它的原始樣貌，這就和地球上的地質學家必須判定陸地侵蝕作用如何抹去或遮蓋底下的岩石接觸面與結構，是一樣的道理。

　　要實地鑑別月球表面暴露的圓石中不同種類的岩石，必須了解微隕石連續撞擊所造成的影響。速度極高的微粒打到月球表面時，會產生小範圍的高溫電漿，並熔化撞擊點的岩石。噴出的電漿與熔化的岩石又沉積在周圍的月球表面，形成薄薄的褐色光滑鏽斑（因為含有極小的鐵粒子），佈滿整個圓石表面。就如同在地球上的乾燥地區，地質學家必須看穿岩石表面上的荒漠岩漆一樣，我必須很快地掃視與解讀鏽斑底下的東西之後，才能動手拿鎚子敲下或敲破圓石。

　　小撞擊坑洞表面的月球鏽斑中穿插著各種顏色的玻璃，顯示遭到撞擊的礦物含有各種化學成份。撞擊發生在白色礦物上（例如火山岩石的主要成份斜長石）時，坑洞就會有淺灰色玻璃和明顯的白點，是由礦物紋理中極細的網狀裂縫所形成。鐵或錳含量較高的礦物被撞擊時，則會產生綠色的玻璃。了解這類過程後，我只要以肉眼觀察，就可判定岩石的成份。

在火星上會面臨什麼？ 
　　科學家預料，火星地質所受的影響應該有些和地球相似、有些和月球相似，因為這顆紅色行星的大小介於兩者之間。我們對火星的地質越來越了解後，也證明它確實經歷了這樣的混合式過程。軌道攝影機和維京人號的登陸艇拍回首批相片之後，我們已經知道，火星的地質特徵是內部與外部作用結合的結果。

　　火星和月球不同，它有稀薄的大氣層，地面氣壓大約為地球海平面氣壓的1%，這層大氣也改變了地表的顏色，探索人員必須評估如何看穿這層顏色，辨識、分析下面的岩石。大氣阻擋了較小的隕石和彗星，所以不會形成直徑小於30公尺的隕石坑。因此，火星表面不像月球一樣覆蓋著撞擊造成的噴濺物質，主要的移動物質則是風吹起的塵土。塵土的來源相當廣泛，包括岩石的風蝕作用、山崩、撞擊和化學作用等。塵土會形成鬆軟的沙丘，類似地球上的平原和山中步道因風吹而形成的鬆厚雪堆，探索人員最好還是避開這些地方，精神號和機會號兩部火星探測車，就曾經陷在這類地方動彈不得。

【本文轉載自《科學人雜誌》2009年7月號】