火星算不算是死亡了的地球？

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大师兄的救兵

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作者 / 星球研究所火星，或许可以看作是，死去的「另一个地球」。
中国火星探测器「天问一号」正式着陆火星地表，开启一段全新的旅程。
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01. 中国航天史上首张清晰的火星地表影像，圆形撞击坑和条状丘陵清晰可见，由天问一号拍摄，图源@国家航天局「天问一号」不但寄托着中国人的星际探索梦想，还要将人类持续了 61 年的火星探索，推向新的高度。
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02. 1960-2020 人类火星探测任务汇总，制图@王申雯 / 星球研究所这些探索，已经让火星的面貌变得愈发清晰。
火星与地球几乎同时诞生，形同姊妹，似乎有机会成为「另一个地球」；但如今，地球生机勃勃、活力四射，火星却寒冷干燥、满目荒凉，漫天沙尘将天空染成淡淡的红色，成了一个近乎死去的世界。
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03. 2021 年 3 月毅力号火星车拍摄的火星地表，图源@NASA火星上究竟发生了什么？为何与地球命途迥异？我们又为何要向它不断进发？
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04. 夜空中的火星，摄影师@Tea-tia现在，就让我们通过这篇文章，系统地了解火星的一生。

01 碰撞时代
大约 46 亿年前，年幼的太阳系里尘埃微粒正在聚集，无数石块、星子、行星胚胎横冲直撞，结合成更大的岩石星球——原始火星就这样诞生了。
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05. 火星在太阳系中位置示意，行星间相对位置有调整，标注@郑伯容&汉青 / 星球研究所紧接着，至少 44.8 亿年前，另一个行星胚胎与原始火星相撞，火星的样貌从此大为改变。
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06. 火星全球影像，图中的大型沟壑地貌为水手大峡谷，图源@NASA撞击引起了剧烈的岩浆活动，使得火星地势南高北低，南半球以高原地形为主，地壳较厚，北半球以平原地形为主，地壳较薄，人们称之为「地壳二分性」。
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07. 火星地形示意图，火星“海拔”的起点是火星大地水准面，是一个人为定义的曲面；在地球上，海洋的大地水准面与海平面重合，制图@郑艺 / 星球研究所此后，一系列大规模撞击事件仍然持续不休，又在南高北低的大背景上制造出一系列巨型撞击坑。
在北半球，若干个巨型撞击坑彼此相近，碰撞产生的熔岩首先在坑底冷却，然后又被泥砂石块逐渐填平，融合成规模惊人的北方大平原。
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08. 火星北半球地形示意图，制图@郑艺 / 星球研究所其中，乌托邦平原是火星上得到确认的最大撞击坑，直径超过 3300km。
由于面积过于巨大，登陆其上的人类探测器几乎观察不到任何「坑」的形态，只有一望无际的乱石荒原，故而得名「平原」。
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09. 1979 年维京 2 号着陆器拍摄的乌托邦平原，乱石上结满白色冰霜，这里也将成为天问一号火星车的着陆地，图源@NASA而在火星南半球，大小不一的撞击坑遍布地表，看起来伤痕累累。
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10. 火星南半球地形示意图，可见密集的撞击坑，制图@郑艺 / 星球研究所海拉斯平原是南半球最大的撞击坑，也是火星地表最深的撞击坑，东西长度超过 2500km，南北长度超过 1400km，最大深度超过 7300m，几乎可以「放入」整个青藏高原。
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11. 海拉斯平原与青藏高原对比，制图@郑艺 / 星球研究所这些巨型撞击坑主要形成于大约42-37 亿年前，堪称「碰撞时代」的高潮。
但从距今 37 亿年起，巨型撞击坑基本停止产生，中小型撞击事件则取代它们，继续为火星地表增添疤痕。
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12. 好奇号火星车从盖尔撞击坑中央丘陵回望，近景是裸露在地表的古代岩层，从中可以认识撞击坑的演化历史，该撞击坑形成于约 36 亿年前，直径 150km，图源@NASA纵观火星的碰撞时代和随后的历史，火星上产生的撞击坑数量和规模都十分惊人。
其中，直径超过 1000km 的撞击坑已有 5 个得到确认，直径超过 1km 的撞击坑更是超过了 38 万个，远超地球。
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13. 火星与地球撞击坑数量对比，制图@郑艺 / 星球研究所在地球上，人们尚未发现直径超过 1000km 的撞击坑。即便是 6500 万年前加速恐龙灭绝的希克苏鲁伯撞击事件，也仅在墨西哥湾浅海区域留下了直径约 180km 的撞击坑。它是地球第二大的撞击坑，但放在火星上却毫不起眼。
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14. 墨西哥希克苏鲁伯撞击坑地形，制图@郑艺 / 星球研究所而地球上已知的最大撞击坑，是位于南非的弗里德堡撞击结构，形成于 20.2 亿年前，原始直径仅有约 300km；如果放在火星上，只能位列第三梯队。
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15. 南非弗里德堡撞击坑地形，制图@郑艺 / 星球研究所但这并不意味着地球比火星经历了更少的撞击事件，而是因为地球有着更活跃的地质运动和更频繁的雨雪风霜。二者早已将大量撞击坑「磨平」。
以南非的弗里德堡撞击坑为例，原本 300km 直径的撞击坑，在经过了 20 多亿年的破坏后，仅留下直径约 80km 的中央丘陵区，我们已无法看出它原本的规模。
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16. 撞击坑破坏示意，地层抬升会使古老的撞击坑逐渐风化消失，制图@王申雯 / 星球研究所我们能在地球上得见的撞击坑往往非常「新鲜」，而稍稍假以时日，它们同样会被快速「磨平」。
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17. 巴林杰撞击坑，形成于约 5 万年前，直径仅有 1.19km，图源@视觉中国正是这两种力量的强弱差异改变了地球和火星的面貌，在火星的大部分历史中，地质运动和雨雪风霜并不活跃，不仅使 40 多亿年前的巨型撞击坑得以幸存，更使为数众多的中小撞击坑一并保留。
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18. 火星维多利亚撞击坑，直径约 800m，机遇号火星车曾在此工作，图源@NASA但这些或大或小的疤痕，仅仅是碰撞对火星外表的改变，更加深远的改变发生在火星内部，撞击产生的能量，使火星内部变得活跃异常，开启了塑造火星的第二个时代。

02 火山时代
至少 40 亿年前，熔岩开始从火星地下大规模喷出，宣告了火山时代的到来。
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19. 火星火山分布图，制图@郑艺 / 星球研究所在火星的赤道附近，不断喷发的火山令熔岩在地表反复流淌，竟然形成了一个占火星表面积约 25%的巨型火山高原——塔尔西斯火山高原。
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20. 塔尔西斯火山高原地形图，火星“海拔”的起点是火星大地水准面，是一个人为定义的曲面；在地球上，海洋的大地水准面与海平面重合，制图@郑艺 / 星球研究所四座海拔 14000m 以上的巨大火山，成为高原的「中流砥柱」，其中西北部的奥林匹斯山海拔达到 21229m，是太阳系中最高大的单体火山。
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21. 奥林匹斯山影像，颜色表示海拔，图源@NASA它们远高于地球上任何一座山峰，即使从太平洋海底算起，地球最大的超级火山夏威夷岛，其顶底落差也仅有 9300 米，依然相形见绌。
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22. 火星奥林匹斯山与部分地球山峰对比，制图@汉青 / 星球研究所从宏观的角度，这些火山的庞大体量冠绝整个太阳系，使人类感到陌生甚至恐惧，但从微观的角度，形形色色的火星火山地貌却又与地球的火山地貌颇为相似。
在火星的熔岩平原上，熔岩一边流动一边冷却，堆积出麻绳一样的外观。
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23. 埃律西昂平原上的一处火山熔岩，堆积出绳状外观，原图为黑白照片且无比例尺，图源@NASA与地球活火山周围一边流动一边冷却的熔岩，有着类似的外观。
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24. 夏威夷熔岩流表面的绳状外观，规模小于上图火星地表的绳状结构，但二者成因类似，图源@视觉中国当熔岩的表面逐渐冷却转入地下的管道流动，还会在火星上形成庞大的地下洞穴体系，极易坍塌成线性峡谷或连续坑洞。
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25. 火山熔岩管道形成过程示意，制图@王申雯 / 星球研究所由此产生了蠕虫一般的坑道，或线性排列的椭圆坑洞，广泛分布在火山四周。
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26. 火星奥林匹斯山附近的熔岩管道，不同时期喷发产生的管道彼此叠加、切割，坍塌成断续的坑道，原图为黑白照片且无比例尺，图源@NASA而在地球上，冰岛、夏威夷等地也常见类似的火山熔岩管道。
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27. 冰岛的古代熔岩管道，地表可见熔岩冷却留下的柱状节理，管道顶部已局部坍塌，图源@视觉中国火星的火山时代大约持续到距今 30 亿年前，从那之后火山喷发变得更加断断续续，规模也大为减小。
如火星北半球的埃律西昂火山区，最近的喷发可能发生在距今 5.3 万年前，但最令人称奇的并非它的年轻，而是它周围类似河道的地貌。
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28. 埃律西昂火山区地形图，山坡上的熔岩管道流向低洼地，转化成疑似河道的结构，制图@郑艺 / 星球研究所火山熔岩管道顺坡而下，向山脚的平原延伸开来，逐渐拥有了像河流一样曲折的形态，像河流一般蜿蜒消失，似乎在暗示，火星的火山时代里还隐藏着潺潺的流水。

03 流水时代
在火星诞生之初，水分子与尘埃共同汇聚，大量的水被「封禁」在星球内部的岩石里，在碰撞时代和火山时代，岩浆将水蒸汽不断宣泄到大气，当温度稍稍下降，蒸汽凝结成雨，雨水第一次降落这颗星球，宣告了流水时代的到来。
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29. 意大利埃特纳火山喷发后的烟柱，火山喷发不仅产生大量的火山灰，也会将巨量的水蒸汽释放出来，图源@视觉中国迄今为止，人类已经在火星上发现了许多流水时代的实物证据。
2004 年，机遇号火星车发现了「小蓝莓结构」，一种由含铁矿物构成的球状结核，散落在火星撞击坑的地表。
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30. 被称作「小蓝莓」的火星含铁矿物结核，由赤铁矿构成，直径若干毫米，图源@NASA它们是火星古代地下水的杰作，与美国犹他州沙漠里散落遍地的「摩奇石球」有着基本相同的成因。
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31. 美国犹他州沙漠里的「摩奇石球」，图源@视觉中国在气候湿润的时期，地下水流经地下岩层，一些溶解矿物聚集沉淀，将周围的岩石颗粒粘合成结核。经过一系列化学变化后，不稳定的钙质结核转变为较稳定的铁质结核，在岩石遭受风化破坏后散落一地。
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32. 结核形成与脱落示意，结核是沉积岩中的常见构造，在地球和火星都可以找到，制图@王申雯 / 星球研究所除了古代火星地下水的实物证据，2011 年以来在盖尔撞击坑里探测的好奇号火星车，还找到了许多古代火星地表水流的实物证据。不仅有被流水打磨圆润的卵石，
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33. 盖尔撞击坑内高度磨圆的小卵石，形成于河流环境，图源@NASA还有具备特殊纹理的砂岩地层，共同记录了古代奔涌的河流。
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34. 火星盖尔撞击坑砂岩交错层理示意，该处砂岩的纹路即为「交错层理」，是流水堆积砂粒产生的痕迹，底图@NASA，标注@云舞空城&汉青 / 星球研究所在地球的砂岩地层里，记录岩石身世的纹理十分常见，如丹霞地貌的砂岩山体中，常可以找到古代河流留下的纹理。
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35. 乐山大佛砂岩交错层理示意，乐山大佛开凿于丹霞山体上，砂岩里可见密集的交错层理，它们是流水堆积砂粒产生的痕迹，摄影师@李琼，标注@云舞空城&汉青 / 星球研究所就这样，人们根据对地球地貌的认识，与火星的地表现象进行对比，推演出属于火星流水时代的溪流汇聚、江河奔涌、波涛拍岸。
大约 40 亿多年前的火星，雨水在高地汇聚，经过树枝一般的溪流网络汇聚成主河道。
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36. 陶马西高地南侧的瓦伊格谷河道系统，制图@郑艺 / 星球研究所河流裹挟泥沙继续流淌，在火星高地上切割出壮观的峡谷长度动辄达到数千千米，深度亦常有数千米。
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37. 水手谷和卡塞谷地形示意图，部分学者认为，卡塞谷可能由熔岩而非液态水流动产生，制图@郑艺 / 星球研究所当河流流出高地，来到地势低平的平原区后，它们开始在大地上蜿蜒，留下复杂多变的河曲，将泥沙堆积在河道内。
它们转变为岩石后，又从强烈的风化破坏过程里幸存，在地表凸显出来。
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38. 伊奥利亚平原的古代火星曲流河道，制图@郑艺 / 星球研究所九曲十八弯的外形，像极了地球上那些曲流河。
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39. 内蒙古呼伦贝尔草原莫日格勒河，它是典型的曲流河，摄影师@刘兆明河流继续流淌，在一些低洼的地区汇聚形成湖泊与海洋，泥沙则在岸边堆积成三角洲。
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40. 火星杰泽罗撞击坑边缘的三角洲，毅力号火星车正在这里寻找火星古代生命迹象，底图@ESA，标注@汉青 / 星球研究所更多的三角洲则分布在北方大平原周围，似乎在暗示：一个古老的火星海洋，曾占据了流水时代的北半球低地。
而那些大大小小的撞击坑，则成为湖泊的所在地。
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41. 火星主要三角洲分布及可能的早期海洋分布图，制图@郑艺 / 星球研究所但不同于地球，火星的江河湖海没有持续到今天。大约 25 亿年前，火星的流水时代逐渐结束，液态水逐渐冻结、消失。
今天的火星上流水几乎不复存在，只有一些残留的水冰分布在部分撞击坑、两极冰盖和地下。
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42. 火星北极附近的克洛罗夫撞击坑中残留大量水冰，直径约 82km，图源@ESA究竟发生了什么？为什么火星经历了碰撞时代的动荡不安、经历了火山时代的烈火熔炉、经历了流水时代的奔流不息，却最终迎来了死亡？

04 死亡时代
我们或许可以从地球与火星的地形差异中获取一些线索。
在地球上，规模巨大的洋中脊和火山链年复一年地喷薄岩浆，将地球内部的物质不断带到地表，更新地球表面的大气、水和岩石。
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43. 印尼婆摩罗火山，印度尼西亚的群岛是板块运动产生的火山岛链，火山活动极为频繁，摄影师@Tony Wang延绵数千千米的线性山脉在地质历史中起起落落，共同见证着地球板块运动的生生不息。
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44. 太空中俯瞰喜马拉雅山脉，画面左侧为中国方向，右侧为印度方向，图源@NASA但在现代火星上，人们几乎找不到类似的地貌。这里的火山分布零散，缺乏线性的火山链和洋中脊，就连线性的碰撞山脉也几乎不存在，无法证明存在活跃的板块运动。
只有位于水手谷南方，延绵 2000km 的陶马斯高地，呈现出一定的线性特征，不排除是古代火星板块碰撞的痕迹。
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45. 火星与地球地形对比，标注了主要线性山地、火山带和洋中脊，制图@郑艺 / 星球研究所或许在 40 多亿年前，火星有过短暂的局部板块运动，但它没有持续到现代，而原因可能仅仅是因为火星的身材太过娇小。
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46. 地球与火星大小示意，底图@NASA，制图@郑伯容 / 星球研究所在冰冷浩渺的宇宙中，娇小的火星既无法提供足够的放射性元素，在星球内部衰变产生热量，也难以留存碰撞时代遗留的热能，内部冷却程度远甚于地球，以至于无法支持活跃的板块运动。
这一差异改变了两颗星球后来的历史。由于缺少板块运动带来的剧烈地质运动，火星的地表远不如地球这般活跃，古老的撞击坑得以长期存在，穿越 40 多亿年的光阴留存至今。
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47. 欧科斯环形山，火星表面最古怪的地貌之一，可能由小行星撞击产生，图源@ESA由于缺少板块的横向运动，源于地幔深处的岩浆在原地喷发堆积，最终形成巨大的火星火山，而不会像地球的夏威夷火山一样，分散成一连串的火山岛。
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48. 地球和火星火山喷发示意，是否存在板块运动，是两颗星球火山高度相差悬殊的重要原因，制图@王申雯 / 星球研究所距今约 37 亿年前，或许是因为火星地核温度太低，或许是因为某次撞击事件干扰了地核，火星的全球磁场逐渐消失，太阳风得以直达火星大气层，将大气分子「吹」进太空。
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49. 太阳风破坏大气层原理，制图@汉青 / 星球研究所当时间来到距今约 30 亿年前，火星的巨型火山活动渐渐减弱，内部物质难以来到地表，大气层和地表水逐渐失去补充，在随后的岁月里，60%以上的火星大气竟因此消失。
大气愈发稀薄，气压和温度双双下降，液态水冻结在两极附近的地表和地下，偶尔升华产生的水蒸汽也会很快被太阳风破坏带走，从火星消失。
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50. 火星北极冰盖，由水冰和干冰构成，图源@ESA气温继续下降，就连二氧化碳也被冻结，形成厚重的「干冰」冰盖。
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51. 火星南极附近的地表干冰实拍，与红色的泥沙混合在一起，图源@NASA狂风在地表呼啸，卷起江河湖海沉积的泥沙，用做摧残岩石的武器。
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52. 火星的雅丹地貌，是古代湖泊泥沙被风力破坏的产物，图源@NASA沙漠开始在火星广泛出现，庞大的沙丘在地表蔓延。
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53. 火星沙丘，颜色为人工添加的假彩色，图源@NASA火星的死亡时代，从距今 25 亿年前延续至今，整个星球的表面陷入沉寂，只有偶尔飘过的几缕白云，
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54. 火星的稀薄云层，由机遇号拍摄，图源@NASA和动辄席卷全球的沙尘暴，依旧保留些许的活力。
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55. 2001 年一场全球性的火星沙尘暴，给整个星球都被蒙上一层“沙雾”，由哈勃望远镜拍摄，图源@NASA火星已经几乎死去，所有曾经的动荡与迸发的力量，都已被埋藏在时光的深处。它用自己最残破的姿态迎来了人类的探索。

05 「另一个地球」
人类的火星探索打破了火星持续数十亿年的沉寂。随着人类越发了解火星，并将火星的一生与地球的一生进行对比时，才体会到地球的与众不同。
地球有着足够大的身躯，至今仍维持着活跃的地核运动，产生出强大的磁场，保护着大气层不受太阳风侵袭，以适当的压力和温度，呵护着地表的一切。
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56. 冰岛极光，极光是地球磁场将部分太阳风粒子引导至两极附近后，轰击大气层产生的发光效应，摄影师@Tea-tia还有活跃的地幔运动，在超过 36 亿年的时间里维持着生生不息的板块运动，不断重塑地球的表面。
它令高山起落不定，
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57. 远景的喜马拉雅山脉与中景的冈底斯山脉同框，摄影师@孙岩令火山喷涌不息，
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58. 2021 年 3 月 19 日起开始喷发的冰岛法格拉达尔火山，图源@视觉中国令江河奔流不止，
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59. 新疆伊犁河谷，摄影师@马俊华令海洋汹涌不宁，
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60. 冰岛的黑色海滩，白色浪花与黑色沙滩形成鲜明对比，黄色部位是被植被覆盖的小山，摄影师@何炜令地球成为人类生机勃勃的家园，更成为整个太阳系中独一无二的蓝色宝石。
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61. 火星轨道上最强大的望远镜 HiRISE 拍摄的地球和月球，可分辨出地球上蓝色的海洋、棕色的陆地和白色的云层，图源@NASA是火星的死气沉沉，衬托了地球的活力四射，是火星的黯然死亡，衬托了地球的生生不息。
从某种意义来说，地球的姊妹星，火星，是人类认识地球的一个里程碑，也是死去的「另一个地球」。
而在经历了 61 年的探索后，火星仍然隐藏着许多奥秘，我们已经获取的火星知识也仍有许多还是科学猜想，等待着今天的我们去继续解读、继续验证、继续与地球进行对比。
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62. 2021 年 2 月 19 日，正在降落火星地表的美国毅力号火星车，图源@NASA而在火星之外，太阳系还有着众多的岩石星体，它们也是地球的兄弟姐妹，也与地球有着截然不同的演化故事。
在未来的数十乃至上百年里，人类将会继续探索它们的故事，从中挖掘出更多地球的与众不同。
只有这样，我们才能更好地理解，脚下的蓝色地球为什么是人类无与伦比的家园。
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63. 2020 年 7 月 23 日天问一号火星探测器发射，「天问」是中国行星探测任务的代号，未来还将把我们的视野带向更远的星空，摄影师@Tea-tia全文完，感谢阅读。

本文创作团队

@云舞空城

本文主要参考文献

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