作者：haibaraemily

編輯：小柒

近日，意大利天體物理研究所的羅伯特·奧羅塞（Roberto Orosei）團隊宣布他們可能在 火星南極的冰蓋之下發現了液態水湖 [1] ，驚不驚喜？意不意外？人類是不是很快就能去火星鉆冰撈魚了？

 

別高興的太早。雖然可能性很大，但還是不一定。

不過，這至少已經是我們距離發現火星穩定的液態水儲備最近的一次，也將長達三十多年的火星冰下“尋湖之旅”又推進一程。

火星真的缺水嗎？

種種證據顯示，曾經的火星很可能也是個宜居的 “天堂” 。30多億年以前的火星，內核有活力，外層有大氣，既有磁場做“護身符”，還可能有過汪洋大海覆蓋表面。

只是如今，它們都已經成為過往。

隨著火星的內部漸漸冷卻，磁場慢慢消失，大氣層散逸，表面的液態水也沒能幸免。火星的表面，最終變成了如今我們看到的這樣：寒冷、干燥， “一片死寂”。

不過，還是有大量固態形式的水（也就是水冰）保留在了火星上。

和地球一樣，火星的南北極地區就有不少水冰暴露在表面上，并存在季節性的漲退。

圖：火星的四季變化和南北極冰蓋。改編自：2003 Encyclopedia Britannica, Inc

隨著人類孜孜不倦的探索，發現 火星的地下也埋藏著大量的純凈水冰 ：

天上飛翔的火星奧德賽號探測器，攜帶的伽馬射線光譜儀GRS間接探測到過水冰；地上刨土的鳳凰號著陸器直接在火星北極挖到了高純度水冰…一些火星斷崖中暴露出來的信息，甚至顯示中緯區域的地下也有大量純凈水冰。

圖：鳳凰號挖到的兩處水冰示例。來源：參考文獻[2]

所以，火星不是缺水（冰），而是 缺“液態水” 。

火星表面確實也曾發現過一些較新的、可能是流水侵蝕過的痕跡——例如沖溝和季節性斜坡紋線（RSL），但這最多只能代表火星表面可能有季節性的、不穩定的少量液態水——總之，火星的地表上已經不可能還有大量液態水存在了。

圖：HiRISE相機在火星上牛頓隕石坑（41.6°S, 202.3°E）中不同時期的拍攝的照片顯示出明顯的流動痕跡，可能是液態水。來源：維基

那么，火星上到底還有沒有大量、穩定的“私藏”液態水存在于地表以下呢？為探明這一問題，科學家們孜孜以求了三十多年。

聚焦火星南北極！

如果火星的地下真的有穩定的液態水湖泊，那么最可能出現在哪兒呢？早在1987年，一個叫做Stephen Clifford的行星科學家就預言 [3] ： 最可能在火星南北極。

仔細研究火星的南北極，會發現這里的冰蓋表層（既有水冰，也有干冰）之下，是下圖這樣的層狀堆積層，由混雜著塵埃的水冰組成，層層累積起來就像“千層蛋糕”一樣。

圖：火星南極冰蓋和層狀堆積層。來源：NASA

Clifford相信，火星的穩定液態水最可能埋藏在這“千層蛋糕”一樣的南北極冰蓋之下。

可是等等！這聽上去似乎不科學呀，照理說南北極不是最冷的地方嗎？有常年冰封的冰蓋不是嗎？這種地方為啥最可能出現液態水？

其實，正是因為南北極冰蓋太厚，產生了巨大的壓強，使得冰的熔點降低，到了一定的深度， 冰就會“迫于高壓”融化成液態水 。

地球上其實已經有了不少這樣的例子——比如南極冰蓋的沃斯托克冰下湖，在零下幾十度的環境中仍能保持液態。

位于南極冰蓋4公里左右深處的沃斯托克冰下湖。后來科學家們在這里打了鉆。來源：維基

問題是，冰層下的水，要怎么找呢？

天上飛的軌道器很難探測到地下的結構，送個著陸器去挖似乎也不會有頭緒……畢竟火星南北極那么大，冰層又那么厚。就算知道精確的位置，也未必能挖的到。總之，這些方法都不靠譜。

探地雷達出場

有沒有什么辦法可以對火星南北極冰面進行“透視”呢？別說，還真有！ 探地雷達就可以通過電磁波信號來“看到”地下的淺表層結構。

由于不同物質的介電常數（可以簡單理解為讓電磁波衰減的能力），導致雷達信號的接收時間和反射強度也就不同，通過測量這些參數，就可以反推出這些雷達信號穿過了哪些不同的物質，以及每層物質到底有多厚。

圖：測地雷達探測淺表層結構的原理示意圖。來源：參考文獻[4]

而這次的新發現，最大的功臣當屬碩果累累超長待機的 火星快車號探測器 （Mars Express）。

作為歐空局的第一個火星探測器，火星快車號可以說是首戰成名。它自2003年圣誕節進入火星軌道以來，一直工作到現在……雖然小獵犬2號著陸器失敗，但絲毫不妨礙火星快車號一路開掛的科學發現。

火星快車號最重要的功勞之一，是其搭載的可見光與紅外線礦物光譜儀OMEGA，首次在火星表面多處檢測出了粘土礦物（也就是水合層狀硅酸鹽）。粘土的形成需要大量液態水的環境，這表明很久很久以前 有大量液態水流經火星表面 [5] 。

而這次的發現，是由火星快車號攜帶的、意大利開發的 測地雷達MARSIS ，在2012年5月到2015年12月三年多的數據收集整理得到的。

圖：火星快車號展開20米長的雷達天線進行探測時的假想圖。來源：維基

“透視”結果

 

“預言家”Clifford當年認為，因為火星北極冰層更厚，所以更可能有冰下湖。不過，這次的冰下湖卻是在火星南極冰蓋下發現的（原因可能是由于南極冰層更薄，所以更容易被探測到冰下物質）。

圖：本次探測區域位于南極層狀沉積層中（黑框區域）。來源：參考文獻[1]

帶著MARSIS的火星快車號探測器在掃描火星南極的某個區域時，發現了一個具有特殊信號的 “異常區” 。

這個異常區的深度大約在地表以下1.5公里處。多軌雷達數據可以圈定這個亮反射異常區域的范圍，下圖右圖箭頭處，寬度大約有20公里。

圖：本次研究中發現的異常區的范圍（對應著高反射強度，圖中藍色區域）。來源：ESA和參考文獻[1]

研究者們在計算出異常區域所在深度的同時，還算出了這個異常區域的介電常數。

統計結果顯示異常區之內的概率峰值對應的介電常數>15，而異常區區之外的區域概率峰值對應的介電常數只有7左右。這意味著： （1）異常區和周圍的物質成分必然有很大差異，（2）異常區中的介電常數特別高，大于15。

異常區里藏著什么？

是液態水湖嗎？還不一定。

以我們對地球的雷達觀測數據的分析經驗來說，要達到這么大的介電常數，在地球上基本只有液態物質這一種可能性（南極和北極的冰下湖都符合這樣的介電常數。）

但在火星上，一切就不那么絕對了。畢竟無法進行人工實地勘探，各種地下物理參數都是估計的，有很多不確定性。

而且即使是液態的，也未必就以液態水湖這樣的形式出現。本次研究者給出的推論也提到這里既可能是液態湖，也可能是富含水的飽和沉積物層。

就算它是液態水湖，它也不是我們平常見到的那種“湖”，而是個冰下“封印之湖”。這個區域的溫度低達零下70攝氏度，然而這里的冰蓋厚度只有1.5公里，遠遠低于之前認為的“壓化”水冰的厚度，那么 為什么水還可以保持液態的形式？

研究者給出的解釋是，這些液態水中含有大量的鹽類（鎂、鈣、鈉、高氯酸鹽等），于是高壓含鹽的環境共同使得冰的熔點變低，于是水可以在不那么高壓的環境下也得以保持液態。目前軌道器和著陸器火星車的探測結果也顯示，火星全球應當都遍布高氯酸鹽（和其他一些物質），水中高鹽也不算意外。

總之，這個異常區域的液態水湖，目前還是基于間接觀測結果的其中一個推論而已。而且如果真的是液態水湖，可能更傾向于一潭鹵水湖。

而另一方面，由于探地雷達MARSIS的分辨率較低，我們有理由推測，如果這里真的有冰下湖，那么很可能不止這一小塊，只是其他地方尚未發現而已。而冰層更厚的北極冰蓋之下，可能有更大更多的液態湖，只是目前的技術手段還探不了那么深而已。

爭議尚存

你或許會問，既然對火星探測了幾十年，為啥之前的雷達觀測都沒有發現液態水呢？確實，除了火星快車號攜帶了探地雷達MARSIS，火星勘測軌道飛行器(MRO)也攜帶過一個探地雷達SHARD，而且…SHARD也探測過這個區域。

但是SHARD卻什么都沒看到！

圖：MARSIS和SHARD兩個雷達在幾乎同一段航線下觀測的的雷達剖面。改編自：參考文獻[1]

因此，MRO項目組的科學家們對這個結果是持懷疑態度的 [6] 。盡管他們也承認，兩個雷達的探測頻段不同，出現這種差異也是可能的。

更準確地說，SHARD的探測頻段是高頻，這意味著分辨率高但探測深度淺，而MARSIS是低頻，分辨率低但探測深度深，所以SHARD沒有看到雷達圖中的亮線而MARSIS看到了是說的通的。

不過，MRO項目組的科學家們還是認為 應該再次檢核SHARD的雷達數據，以確認是不是真的看不到。

魂牽夢縈，生命之水

二十多年前的人類，以為整個太陽系中除了地球之外都是沙漠（以沒有液態水為標準，南北極也是沙漠，然而，飛速發展的深空探測成果一次又一次地給我們以驚詫：或許，火星有冰下湖，谷神星有冰下海，木衛二和木衛三、土衛二和土衛六，甚至冥王星……它們的冰層之下也都有區域性或者全球性的鹽水海洋。

雖然這些都還沒有真的鉆孔采樣挖出來讓我們親眼看到，但越來越多的觀測結果讓我們相信， 太陽系并不是干涸的沙漠，而是蘊藏著數不清的生命之源。

至于人們最關心的：這些冰下湖海中是不是有生命存在？只能說不能排除這種可能性，但也確實目前沒有發現過相關證據。

也有人問道火星“移民”大概可以提上日程了吧？或許，這一天有可能會真的來臨……但在那之前，無疑還有很多計劃和準備工作等待我們去做。

 

作者名片

 

 

排版：小爽

參考文獻：

[1] Orosei et al. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars.Science.

[2] Mellon, M. T., Feldman, W. C., & Prettyman, T. H. (2004). The presence and stability of ground ice in the southern hemisphere of Mars. Icarus, 169(2), 324-340.

[3] Clifford, Stephen M. "Polar basal melting on Mars." Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92.B9 (1987): 9135-9152.

[4] Diez. (2018). Liquid water on Mars. Science.

[5] Bibring, J. P., Langevin, Y., Gendrin, A., Gondet, B., Poulet, F., Berthé, M., ... & Drossart, P. (2005). Mars surface diversity as revealed by the OMEGA/Mars Express observations. Science, 307(5715), 1576-1581.

[6] https://www.sciencenews.org/article/mars-may-have-lake-liquid-water-search-life

 

這一次，我們真的在火星找到“地下湖泊”了嗎？

圖文簡介

火星南極的冰蓋之下發現了液態水湖