出品|新浪科技《科學(xué)大家》

撰文|鄭永春中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員、科普中國形象大使、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員

火星快車號(hào)（Mars Express）

火星距離地球最近約為5500萬公里，最遠(yuǎn)達(dá)4億公里，是太陽系中與地球最為相似的行星，也是唯一經(jīng)改造后適合大規(guī)模移民的星球。中國首次火星探測任務(wù)將于2020年實(shí)施，將在一次任務(wù)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對火星“環(huán)繞、著陸、巡視”探測的目標(biāo)。探測器發(fā)射后經(jīng)過約7個(gè)月巡航飛行，被火星捕獲，環(huán)繞器環(huán)繞火星飛行后與著陸巡視器分離，然后進(jìn)入任務(wù)使命軌道開展對火星全球環(huán)繞探測，同時(shí)為著陸巡視器開展中繼通訊。著陸巡視器與環(huán)繞器分離后進(jìn)入火星大氣層，經(jīng)過氣動(dòng)外形減速、降落傘減速和反推發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力減速，最后下降著陸在火星表面?；鹦擒囻傠x著陸平臺(tái)后，將對火星的形貌、土壤、環(huán)境、大氣等展開巡視探測。中國火星探測工程將使我國在探月工程之后，開展真正意義上的行星探測。

2018年7月27日，恰逢火星大沖，火星與地球之間的距離達(dá)到最近，是從地球上觀測火星和發(fā)射火星探測器的絕佳時(shí)機(jī)。正當(dāng)全球關(guān)注火星的時(shí)候，《科學(xué)》本周拋出火星研究的新發(fā)現(xiàn)——火星南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)20公里寬的液態(tài)水體。

找水，是為了尋找生命

沒有水，就沒有生命。科學(xué)家一直在太陽系其他行星上尋找液態(tài)水，目的就是尋找外星生命。

航天時(shí)代以來，人類對火星進(jìn)行了45次探測，積累了大量的探測資料。火星，已經(jīng)成為人類除地球以外了解最為透徹的行星?；鹦翘綔y器獲得高分辨率圖像，可以分辨出直徑30厘米以上的物體。根據(jù)這些資料，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，火星上有大量干涸的河谷和湖泊，這些地貌證明，火星在歷史上一定有過大量的江、河、湖、海。他們甚至在一條干涸的小溪中發(fā)現(xiàn)了很多鵝卵石，據(jù)此推測出當(dāng)時(shí)溪流的深度和流速。

歷史上即便有再多的水，也不如現(xiàn)在去發(fā)現(xiàn)有沒有水。于是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了火星大氣層中含有少量水汽，而地表也發(fā)現(xiàn)了一些水冰。

冰再多，也不能繁衍生命，我們更希望能夠發(fā)現(xiàn)液態(tài)水。于是，科學(xué)家在鳳凰號(hào)著陸器的著陸腿上，觀察到了冷凝的水滴——露珠。火星夏季的赤道地區(qū)，在一些斜坡上，發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的暗色條紋，可能是融化的液態(tài)水，但只是季節(jié)性出現(xiàn)，這還不夠。

地球的南北極有冰蓋，火星上南北極也有冰蓋。30多年前，就有科學(xué)家提出假設(shè)，認(rèn)為火星極地冰蓋下面可能存在液態(tài)水體，但一直沒有得到證實(shí)。

要有生命，就要有穩(wěn)定的液態(tài)水體，但火星上一直沒有發(fā)現(xiàn)。

本周的《科學(xué)》雜志，發(fā)表了意大利科學(xué)家Orosei領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。他們分析了火星快車號(hào)探測器的雷達(dá)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)火星南極的冰蓋下1.5公里深處，有一個(gè)巨大而穩(wěn)定的液態(tài)水體。

火星南極的冰蓋下1.5公里深處（黑色正方形區(qū)域），有一個(gè)巨大而穩(wěn)定的液態(tài)水體。

極冷的天氣，仍可能存在液態(tài)水體

地球上的南極，盡管年平均氣溫在零下60°C左右，但在冰層之下仍然有湖。

冰蓋可以起到隔熱保溫作用，使湖水與寒冷的地表隔絕。地球南極的冰蓋厚度達(dá)4.8公里，冰層的壓力可以降低水的冰點(diǎn)，冰蓋底部的溫度可以允許液態(tài)水體存在。

南極冰蓋下面的液態(tài)水體，就是用雷達(dá)波探測到的。雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射電磁波，并接收反射的回波。不同頻率的電磁波具有不同的穿透能力，頻率越低，穿透的深度越大。當(dāng)電磁波通過冰層向下傳輸時(shí)，它們會(huì)在不同物質(zhì)之間的界面反射回波，如冰層與基巖、含水的泥沙、液態(tài)水體之間的界面，都會(huì)反射回波。雷達(dá)沿著飛行軌道前進(jìn)，不斷地進(jìn)行測量，獲得地下的圖像。因此，雷達(dá)是探測地下物體的重要手段

現(xiàn)在，這種在地球南極證明有效的探測手段，被Orosei等應(yīng)用到了火星上。由歐洲空間局主導(dǎo)的火星快車號(hào)探測器，在火星上空已經(jīng)環(huán)繞飛行了12年，上面正好搭載了一臺(tái)低頻探測雷達(dá)?？茖W(xué)家們收集了2012年5月至2015年12月期間3年多的雷達(dá)探測數(shù)據(jù)，識(shí)別出一個(gè)20公里寬的異常明亮的反射體，而且在多個(gè)飛行剖面都存在。他們排除了許多可能的解釋，最后認(rèn)為，這個(gè)反射體唯一的可能，是液態(tài)水體或含水的飽和泥沙沉積。

新發(fā)現(xiàn)的液態(tài)水體位于火星南極，中心位于東經(jīng)193°，南緯81°附近。通過定量分析雷達(dá)信號(hào)發(fā)現(xiàn)，該特征的相對介電常數(shù)大于15，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石和冰層的介電常數(shù)，而與含液態(tài)水物質(zhì)的介電常數(shù)相當(dāng)。

火星南極比地球上的南極洲更寒冷?；鹦悄蠘O冰蓋底部的溫度約為零下68°C左右，因此，1.5公里厚的冰蓋下，是不可能存在純凈的液體水體的。但是，含鹽的液態(tài)水體仍然可以存在。

也就是說，這次發(fā)現(xiàn)的液態(tài)水體是一個(gè)鹽湖，像前幾次發(fā)現(xiàn)的液態(tài)水一樣，仍然是鹵水。這是因?yàn)?，如果在水中溶解了大量的鹽，水的冰點(diǎn)就會(huì)低得多。在地球上就發(fā)現(xiàn)了這樣的鹽水湖，在南極麥克默多干燥的山谷中，水的鹽度為200。在那里，零下13°C，水仍然沒有結(jié)冰，仍然保持液態(tài)。相比之下，海水的鹽度介于32和37之間，零下2°C時(shí)就會(huì)結(jié)冰。

在火星表面，科學(xué)家此前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鈉鹽、鎂鹽、鈣鹽，水中如果含有這些鹽類物質(zhì)，可以將水的冰點(diǎn)降低到零下74°C。當(dāng)位于冰蓋底部時(shí)，由于鹽類的存在，液態(tài)水體可以穩(wěn)定存在。

天啊，74°C都不會(huì)結(jié)冰的水，該是多么濃的鹵水啊。此前，鳳凰號(hào)著陸腿上的露珠，以及斜坡上季節(jié)性凍融的液態(tài)水，都證明水中含有鹽類。

雷達(dá)回波探測到的液態(tài)水體（圖中黑色三角形圈出的地區(qū)）