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關於標題中的問題，最直接的答案是否定的，或說現在火星和月球表面極不可能有水或冰。乍聽之下， 有人一定會說筆者是不是說錯了？ 因為近15 年來，美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）透過新聞媒體一直告訴我們，在火星和月球表面發現了水或冰。這難道還會有爭議嗎？但這不是有無爭議的問題，而應該以科學的角度探討。

除了地球，其他行星上可能發現水嗎？

嚴格來說，地球是這宇宙間唯一確知有水和生命體的星球！天文學家不斷地告訴我們，他們在其他的太陽系裡發現一些類似地球的行星，甚至還說：有些類地球可能存在著水或生命，且希望有一天這樣的探索能成真。就或然率而言，這一天還真有可能發生，因為我們的銀河系存在著10¹⁰ 個太陽，且宇宙間還有無數個銀河系。

那麼在鄰近地球的其他星球上是否可能存在水呢？

如果根據各種媒體轉述NASA於2008 年後發布的新聞，這答案是肯定的。NASA 多次報導在火星表面的土壤裡發現了「水」，但是卻語焉不詳⸺到底是水還是冰？因為由火星的表面溫度推測，只可能是冰；還有，這冰到底是在哪種環境下存在的呢？NASA從不多説一字。NASA後來在月球上也有了類似的發現，因此就NASA 的太空探測成果而言，現在火星和月球表面是有水／冰的。

此外，歐洲太空探測中心（European Space Agency,ESA）也沒閒著，2018 年的新聞報導表示他們分析了2012 ～ 2015 年間收集到的雷達資料，顯示在火星的南極冰層（應是二氧化碳乾冰）下約1.5 公里深處的地方存在一個約20 公里寬的含水大湖！

不過，ESA 和NASA 所言火星表面的水／冰其實並不是同一回事。早在1984 和1986 年，美國天文學家史奎爾斯（Steve Squyres）和卡爾（Michael Carr）兩人依據從地球上觀察火星表面的地形地貌去推斷，曾分別主張火星表面存在過海洋。此外，他們還分別推估了火星表面曾經存在過的海洋深度為10 ～ 100 和500 ～ 1000 公尺，但同樣沒有交代火星表面的水從何而來。

1988年筆者由內行星會聚（accrete）成長的過程推論，火星內部早已埋藏了至少相當於今日地球海洋的水。在火星冷卻凝固後，230 公里的表層所釋放出來的水就足以形成一個3000 公尺深的海洋；但在考慮過岩漿海（magma ocean）〔註〕的效應後，筆者在今（2022）年已將此深度下修為2000公尺。因為在水釋出時的溫壓條件下，大部分的水會和火星表層的矽酸鹽礦物作用而生成含水礦物，所以這個2000 ～ 3000 公尺深的火星古海洋也是水能存在的深度上限。雖然許多學者對火星古海洋深度的推估看起來有些不一致，但事實上十分相符⸺因為火星海洋一直在消失。筆者推估的是指火星海洋剛形成時的深度，所以依當年的火星地形、地貌觀測出來的海洋深度一定會小於原始的古海洋。當然，這相符的推估也可能只是一個巧合而已！

近幾年NASA 不再只發布新聞，而是開始正式發表科學論文談論火星和月球表面的水。2018 年他們提出紅外線觀測證據，表示在月球兩極陰冷處發現了水（筆者認為如果有應該是冰），去（2021）年經由同一紅外線觀測臺在太陽照射的月球表面70 ～80℃ 處探測到水的存在。同時在去年10月又於《科學》（Science）期刊上報導，火星表面的Jezero 撞擊坑〔註〕本身就是一個乾涸的湖泊，此湖還極可能連接著一條不算小的乾涸河道。換言之，NASA 等於認同火星表面也存在過海洋，不然已經乾涸的河水、湖水又由何處來的呢？總之，依NASA 的主張，目前火星和月球表面是真的有水，但真是這樣的嗎？

火星表面的Jezero 撞擊坑，NASA 表示它是一個乾涸的湖泊，此湖還極可能連接著一條不算小的乾涸河道。（ESA/DLR/FU-Berlin）

註：地球物理學者提出地球半徑成長到超過約40%（～ 2500 公里) 後，外來的撞擊物與成長的地球撞擊所產生的溫壓會產生岩漿海。火星的半徑已超過2500 公里，因此筆者今年2 月的論文就加入岩漿海的概念。

註：科學家把在火星和月球表面看到的所有「坑洞」都看作是「撞擊坑」，大一點的撞擊坑就給它取一個名字，Jezero 就是火星表面一個撞擊坑的名字。NASA 在去年10 月發表的論文就是在說Jezero不是一個撞擊坑，而是一個乾涸的湖泊。

以科學方法計算行星的大氣成分

自1985 年開始，筆者依據多年的思考和硏究，領悟到若要了解行星水（H2O），就必須先要了解行星的大氣！因為水是一種揮發性物質，水／冰是否能存在於行星表面，和它是否能存在於此行星的大氣，根本是同一回事！只要行星內部或周圍有揮發性物質存在，行星的「質量」和「表面溫度」兩個因素就決定了這些揮發性物質能否成為行星大氣的一員。行星的質量大小決定它的大氣能持有哪些揮發性物質，而溫度除了決定揮發性物質是以氣態、液態或固態存在行星表面外，溫度的動能也正是造成氣態物質逃離行星大氣的原因。

只要有溫度，各種揮發性物質都會或多或少地逃離行星的大氣，如果逃離的量少到可以忽略，我們就認同它是此行星大氣的一員。表面溫度愈高，氣體逃離得愈快；在同一溫度下，氣體分子量愈小，逃離得也愈快。好在表面溫度隨著高度降得很快，最後真正決定某種氣態物質能否成為行星大氣的一員，還需要考量行星質量和揮發性物質的分子量，也就是最基本的牛頓萬有引力定律。

基於上述想法，筆者於2014 年把行星能吸附某一氣體分子成為它大氣成員所需的最小質量定義為行星對此氣體的臨界質量（critical mass, CM）。計算各揮發性物質精確的CM 值十分不易，筆者估算了太陽系常見各氣體的最小CM值（表一），各氣體的臨界質量基本上與克分子量成反比。除了氦（He）之外，估算出的各氣體最小臨界質量與各行星目前觀測到的大氣組成完全相符，並指出氦有可能成為金星或地球大氣的一員，但觀測的結果卻表示氦不是地球大氣的一員。不過這個不相符也只是一個假象，說明了能吸附氦成為大氣一員的CM 值應大於地球的質量（5.976×10²⁷ 克，如表一中的天王星⸺最小的外行星）。

 

火星和月亮上可能存在水嗎？

回頭討論火星與月球的大氣，火星的質量是6.419×10²⁶ 克，遠小於水的最小臨界質量（8.06×10²⁶ 克），所以火星不可能抓獲氣態水成為它大氣一員。火星的大氣組成：二氧化碳（CO₂）、氮（N₂）、氬（Ar）、氧（O₂）、一氧化碳（CO），以及大氣中不含有水、甲烷（CH₄）、氦、氫（H₂）的現象，均完全符合估算的理論CM值。2002 年有文獻報導，曾在火星極地乾冰層的大氣中發現過約1％的氣態水，不過這就像是在水星和地球的大氣中有時也能發現極少的氦和氫一樣，它們只是過境之客而不是這些行星大氣的成員。月球的質量為7.35×10₂₅ 克，幾乎是火星質量的1/10。推估的CM數據還告訴我們，月球的質量不應含有大氣，而月球也確實沒有大氣〔註〕。

因此，火星古早的液態海、河、湖不需要很久的時間（頂多幾百萬年）就會揮發成氣態水進入大氣，然後又很快逃逸到外太空。而且是有去無回，因為火星的質量是無法捕獲氣態水並讓它成為大氣一員的；就算後期火星的海、河、湖有可能凍結成冰，但冰也不需太久就會昇華成氣態。如果NASA 接受火星上曾經有過海、河、湖的說法（起碼他們去年的論文是同意的），火星上偌大的海洋都能消失殆盡，NASA 哪有可能如同他們在2008 和2016 年的報導，在火星表面土壤中發現水／冰呢？如果真有，那也一定是被土壤孔隙固封起來極少的冰；而他們所謂的水，也可能只是土壤中黏土礦物的氫氧離子（OH^-）。

註：月球沒有大氣的現象和水星類似，月球大氣壓約為10^-15 巴（bar, 1 bar=105 Pa），也可以說它們根本就是真空的環境。

既然火星的質量無法捕獲氣態水成為大氣一員，且最終還導致整個海洋消失，那一開始的海洋又是從何而來的呢？1987 年後的天文物理學家曾主張地球的海洋是地球冷卻固化後，由外來的髒雪球（dirty snowballs）撞擊覆蓋上去而形成，卻沒提及火星的海洋。火星理當比地球冷卻固化得更快、更早，因為火星比地球更小距太陽更遠，但火星的海洋是不可能在冷卻固化後由髒雪球覆蓋上去的，因為髒雪球在撞擊固化後的火星表面，便會即刻氣化成氣態水而從大氣中逃逸。所以火星如果曾經擁有過海洋，其中的水得從火星或整個內行星的來源說起。筆者自1987 年後發表的許多論文中探討過這個問題，2009 和2019 年的論文更主張地球海洋是造月大撞擊（moon-forming giant impact）的後果，想要更了解的讀者可參考延伸閱讀。

因為火星的質量或引力無法捕獲氣態水成為大氣一員，冷卻固化後的火星表面能否擁有一個海洋還得由火星的冷卻、內部水的釋放、氣態水的逃逸快慢而定。火星是最冷的內行星，所以在冷卻快、釋放快、逃逸慢的條件下，原始的火星海洋有可能生存了數百萬年，這也足以造成史奎爾斯和卡爾等人所觀察到火星表面的地貌了。

今天，火星偌大的一個古老海洋都不存在了，我們有可能在火星表面找到水／冰嗎？這麼說來，NASA在2008 和2016 年發布的新聞是有問題的，除非探測到的冰被密封在土壤裡。再者，火星如果是因為質量太小而使得水／冰無法在表面生存，那麼我們更不可能在月球表面找到水／冰了。所以，筆者最後結論是具有實質意義數量的水（諸如冰雹大小的雪球或冰塊）不可能存在於火星和月球表面。

延伸閱讀
1. Liu, L. (1988). Water in the terrestrial planets and the moon. Icarus, 74, 98–107.
2. Liu, L. (2014). Critical masses for various terrestrial planet atmospheric gases and water in/on Mars. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 25, 703–707.
3. Squyres, S. W. (1984). The history of water on Mars. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 12, 83–106.