出品|新浪科技《科學大家》

撰文|鄭永春中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員、科普中國形象大使、中國科學院國家天文臺研究員

火星快車號（Mars Express）

火星距離地球最近約為5500萬公里，最遠達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年實施，將在一次任務(wù)中同時實現(xiàn)對火星“環(huán)繞、著陸、巡視”探測的目標。探測器發(fā)射后經(jīng)過約7個月巡航飛行，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，然后進入任務(wù)使命軌道開展對火星全球環(huán)繞探測，同時為著陸巡視器開展中繼通訊。著陸巡視器與環(huán)繞器分離后進入火星大氣層，經(jīng)過氣動外形減速、降落傘減速和反推發(fā)動機動力減速，最后下降著陸在火星表面?；鹦擒囻傠x著陸平臺后，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機。正當全球關(guān)注火星的時候，《科學》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?？茖W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。

航天時代以來，人類對火星進行了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)此推測出當時溪流的深度和流速。

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，科學家在鳳凰號著陸器的著陸腿上，觀察到了冷凝的水滴——露珠?；鹦窍募镜某嗟赖貐^(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，就有科學家提出假設(shè)，認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。

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》雜志，發(fā)表了意大利科學家Orosei領(lǐng)銜的團隊的最新研究成果。他們分析了火星快車號探測器的雷達數(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4.8公里，冰層的壓力可以降低水的冰點，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，就是用雷達波探測到的。雷達主動發(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。當電磁波通過冰層向下傳輸時，它們會在不同物質(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，都會反射回波。雷達沿著飛行軌道前進，不斷地進行測量，獲得地下的圖像。因此，雷達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。由歐洲空間局主導的火星快車號探測器，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低頻探測雷達。科學家們收集了2012年5月至2015年12月期間3年多的雷達探測數(shù)據(jù)，識別出一個20公里寬的異常明亮的反射體，而且在多個飛行剖面都存在。他們排除了許多可能的解釋，最后認為，這個反射體唯一的可能，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。通過定量分析雷達信號發(fā)現(xiàn)，該特征的相對介電常數(shù)大于15，遠遠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。

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。這是因為，如果在水中溶解了大量的鹽，水的冰點就會低得多。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時就會結(jié)冰。

在火星表面，科學家此前已經(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)，可以將水的冰點降低到零下74°C。當位于冰蓋底部時，由于鹽類的存在，液態(tài)水體可以穩(wěn)定存在。

天啊，74°C都不會結(jié)冰的水，該是多么濃的鹵水啊。此前，鳳凰號著陸腿上的露珠，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。

雷達回波探測到的液態(tài)水體（圖中黑色三角形圈出的地區(qū)）

液態(tài)水體導致了南極冰蓋移動嗎

火星距離地球最遠達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年實施，將在一次任務(wù)中同時實現(xiàn)對火星“環(huán)繞、著陸、巡視”探測的目標。

在這次的新發(fā)現(xiàn)中，科學家推測，火星南極冰蓋下穩(wěn)定的液態(tài)水體中，含有高濃度的高氯酸鹽。鹽水可以與基底的泥沙混合形成污泥，或在基巖上形成局部的鹽水池。這樣高濃度的鹽水中，可能會有生命嗎？我們?nèi)匀徊坏枚８鶕?jù)我在青?？吹降拇罅葵}湖推斷，這些鹽湖中，顯然不可能有魚這樣的大型生物，但一些耐鹽堿的微生物仍然是可能的。

這次發(fā)現(xiàn)的液態(tài)水體很大，寬20千米，相當于中蒙邊境的貝爾湖的大小。長白山天池寬才3.37千米，顯然要比天池大好幾倍。隨著中國、美國等國家開展新一輪的火星探測任務(wù)，有望獲得高分辨率的雷達探測數(shù)據(jù)，有可能探測到更小面積的液態(tài)水體。

與地球上的冰蓋一樣，火星極地冰蓋也是經(jīng)歷了數(shù)千萬年才累積起來的。冰蓋的生長和收縮，記錄了火星的氣候變化歷史。這次在冰蓋下面找到液態(tài)水體，對將來利用冰蓋解讀火星氣候變化歷史十分關(guān)鍵。由于冰蓋底部水的摩擦力降低，將使水的流速增加，從而導致冰蓋移動?；鹦潜w的移動到底是什么原因?qū)е碌?，是冰層的變形，還是冰蓋根本就沒有移動？這一問題有待于未來的探測任務(wù)來回答。

對于那些質(zhì)疑將來火星移民可能性的人，我想強調(diào)一下，目前至少可以明確的是，火星上并不缺水。

很可能，人類移民火星不是夢。你，有這個打算嗎？

延伸閱讀：火星找水全記錄

進入航天時代以來，美國人毫無疑問是火星探測的寵兒。他們不僅保持著極高的成功率，而且接二連三的重大科學發(fā)現(xiàn)使美國至今保持著全球深空探測的領(lǐng)導地位。

1976年著陸火星表面的“海盜1號”和“海盜2號”是火星生命探索的先驅(qū)，其主要目標是探索火星上有無生物，希望通過生物科學實驗直接確定火星紅色土壤中是否存在生命，但結(jié)果并沒有獲得火星生命的證據(jù)。

進入新世紀以來，人類先后發(fā)射環(huán)繞火星的軌道器、著陸在火星表面的著陸器、巡視探測的火星車，開展了高分辨率的地形地貌成像，并運用了雷達探測、光譜、質(zhì)譜和中子分析等多方面探測手段，獲得了流水侵蝕、河流沖擊扇和三角洲等地貌特征，發(fā)現(xiàn)了水成礦物和鹽湖沉積、沉積巖石地層，以及極地冰蓋、大氣中的甲烷和水蒸氣等系列證據(jù)，證明火星表面曾經(jīng)有過大規(guī)模的水體活動，暗示火星曾經(jīng)有過適宜生命繁衍的環(huán)境特征，并可能發(fā)育過生命。

2001年，奧德賽號發(fā)現(xiàn)水流痕跡：奧德賽號的全稱是2001火星奧德賽探測器（2001 Mars Odyssey），于2001年4月7日發(fā)射升空，同年10月24日到達火星軌道。這是一顆環(huán)繞火星進行探測的軌道器，利用火星大氣阻力進行減速以進入環(huán)繞火星軌道。2002年1月，奧德賽號氣阻減速完成，同年2月19日開始科學任務(wù)。

奧德賽號耗資約2.97億美元，由洛克希德·馬丁公司研制，主要承擔火星探測漫游者（機遇號和勇氣號火星車）、鳳凰號著陸器與地球之間的通信中繼任務(wù)，同時探測數(shù)種元素的全球分布及其含量，尋找火星表面水與火山活動的痕跡。

2003年，機遇號和勇氣號發(fā)現(xiàn)粘土礦物：機遇號和勇氣號是一對“孿生兄弟”，于2003年年中發(fā)射升空，2004年1月降落在火星，最初“工作任務(wù)”是完成3個月火星探險，到2013年8月已離開地球10周年。勇氣號于2010年停止工作，而機遇號依舊孜孜不倦，不斷發(fā)回探測成果。

2013年5月，機遇號火星車在一塊巖石中分析發(fā)現(xiàn)了豐富的粘土礦物。粘土礦物是水與巖石發(fā)生長期反應(yīng)，導致巖石的化學成分發(fā)生重大改變而形成的，這說明曾經(jīng)有大量的水流經(jīng)并浸泡這塊巖石。

這塊名為“埃斯佩朗斯6號”的巖石表面覆蓋著塵埃和雜質(zhì)，機遇號一共嘗試了7次，才磨掉表層物質(zhì)，進而分析石塊內(nèi)部的物質(zhì)組成。這塊巖石中的粘土礦物富含鋁，非常類似于地球上的微晶高嶺石，說明當時流經(jīng)巖石縫隙的水是中性的。埃斯佩朗斯6號形成于火星歷史最初的10億年，是機遇號檢測過的最古老巖石。

機遇號此前分析過多塊巖石，雖然也都發(fā)現(xiàn)火星曾經(jīng)有過濕潤環(huán)境，證明火星上曾經(jīng)有過水體活動。但是，這些水體大多是酸性的，而生命的進化和繁衍需要一個中性的環(huán)境，在酸性環(huán)境中很難通過化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化為生命。此次，機遇號發(fā)現(xiàn)可飲用的中性水，成為可以支持生命誕生的重要證據(jù)。

2004年，火星快車發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)的海岸線和沉積物：如今的火星表面類似于地球上的戈壁灘，是一片不毛之地。但已有證據(jù)顯示，火星上曾經(jīng)兩度存在海洋。大約40億年前，隨著氣候逐漸變暖，埋藏在地下的大量冰融化后涌出地面，形成了最早的火星海洋。之后環(huán)境惡化，液態(tài)水逐漸退回并凍結(jié)于地下。另一次火星海洋則出現(xiàn)在30億年前。

2004年歐洲空間局發(fā)射的火星快車，獲得了火星的可見光圖像數(shù)據(jù)、礦物分析數(shù)據(jù)，以及大氣觀測結(jié)果，證明火星曾經(jīng)有水。但是，曾經(jīng)龐大的火星地表水體后來到哪里去了呢？

2012年2月，火星快車上的雷達探測結(jié)果展示了火星地表以下60~80米的情況，發(fā)現(xiàn)北部平原的地下存在一層低密度物質(zhì)，可能是某種富含冰的沉積物。這層低密度物質(zhì)讓人不由地聯(lián)想到地球海床中也有類似的沉積物。更重要的是，這層物質(zhì)正好位于此前任務(wù)發(fā)現(xiàn)的火星海岸線以內(nèi)。這說明火星干涸的北部平原在數(shù)十億年前可能是一片汪洋，如今的紅色行星可能曾經(jīng)是一個藍色星球。

火星的北部平原在數(shù)十億年前可能是一片汪洋（左），火星快車探測器發(fā)現(xiàn)的“海床”沉積物恰好位于火星的古海岸線以內(nèi)（右）。

雷達探測在火星北部平原發(fā)現(xiàn)了一層低密度物質(zhì)

2005年發(fā)射的火星勘測軌道器發(fā)現(xiàn)仍在流動的液態(tài)水：火星勘測軌道器的高分辨相機在火星表面發(fā)現(xiàn)了季節(jié)性坡紋，這是一種顏色較暗（即反射率較低）的狹長條紋，在火星表面相當活躍。Lujendra Ojha發(fā)現(xiàn)，當氣溫上升時，季節(jié)性坡紋開始形成并發(fā)育壯大，一般在：當氣溫下降天氣寒冷時，這些坡紋又會消失不見。即一般從春季開始出現(xiàn)，在整個夏季變得越來越明顯，到秋冬季節(jié)逐漸消失。由于季節(jié)性坡紋的光譜與水合鹽類物質(zhì)的光譜具有相同的吸收特征，推測季節(jié)性坡紋中存在水合鹽類；最后，根據(jù)季節(jié)性坡紋中光譜監(jiān)測到的水合鹽類含量的變化，可以確定這些季節(jié)性坡紋是由水流作用形成的。這說明，即便在遠低于零攝氏度的低溫下，火星上仍然存在富含高氯酸鹽的鹵水，并且具有一定流動性。

2008年，鳳凰號發(fā)現(xiàn)土壤中的水：2008年5月25日，鳳凰號在火星北半球的北方大平原著陸。它在北極附近的永久凍土帶采集和分析火星土壤樣本，進行了5個月的成功探測，首次證實火星上確實有水存在。鳳凰號還發(fā)現(xiàn)了火星土壤中含有高氯酸鹽，這是許多微生物賴以生存的化學物質(zhì)。

鳳凰號著陸器有一個高溫爐和質(zhì)譜儀的結(jié)合體——熱量和揮發(fā)氣體分析儀，用來分析火星土壤樣品。機械臂于2008年5月31日首次接觸火星土壤，挖掘的土壤樣品被送到該儀器的高溫爐中密封并加熱。當溫度加熱到0攝氏度時，質(zhì)譜儀檢測到了水蒸汽，證實火星土壤中含有水冰。鳳凰號上的相機甚至在著陸腿上觀察到了露珠，說明火星大氣中含有水。當高溫爐持續(xù)加熱到1000攝氏度時，土壤中的其他揮發(fā)性物質(zhì)會蒸發(fā)成氣體，通過惰性載體送到質(zhì)譜儀，即可檢測到土壤中存在的微量有機分子。

2011年，好奇號發(fā)現(xiàn)黃刀灣淡水湖：2011年11月26日，美國發(fā)射了好奇號火星車，于2012年8月6日登陸火星。好奇號耗資26億美元，重899公斤，外殼寬4.5米。重量是機遇號和勇氣號的3倍，體積是他們的2倍，大致相當于一輛SUV汽車。

好奇號搭載了11種不同的科學儀器，是人類有史以來制造的體積最大、性能最高，也是最昂貴的火星車。好奇號著陸在火星蓋爾坑內(nèi)中心山脈的山腳下，科學使命是探索火星在歷史上或如今的環(huán)境下是否適宜生命生存，為最終發(fā)現(xiàn)火星生命做準備。

2012年9月，好奇號發(fā)回了距離著陸點400米的“格萊內(nèi)爾格”區(qū)域中古老河床礫巖層的圖像。這些圖像展示了礫巖中的石子大小和形狀。石子大小介于沙粒到乒乓球之間，其中不少是圓形的，很像是地球上河床底部的鵝卵石。石子的形狀和大小組合透露出它們是被水流長期沖刷、磨蝕而成的。若要沖刷形成這種尺寸的光滑鵝卵石，河流的水速應(yīng)該為每秒0.2米至0.75米之間，水深在0.03米至0.9米之間。

2012年在蓋爾坑著陸后，好奇號發(fā)現(xiàn)著陸點附近有一個深達5米的溝槽，其中存在熱異?，F(xiàn)象。好奇號對溝底的沉積巖進行了鉆探分析，結(jié)果證實36億年前那里曾經(jīng)是一個至少存在了數(shù)萬年的湖泊，湖泊長約50千米，寬約5千米。湖泊遺跡所在區(qū)域被命名為“黃刀灣”。

科學家分析了從黃刀灣兩塊巖石樣本中提取的粘土，發(fā)現(xiàn)湖底區(qū)域的pH值呈中性，鹽度很低，說明黃刀灣曾經(jīng)是一個淡水湖。而當時火星上的其它地區(qū)要么已經(jīng)干涸，要么分布著含鹽量高、不適合生命存活的酸性湖泊。

好奇號在湖底沉積物中還發(fā)現(xiàn)了碳、氫、氧、硫、氮和磷等關(guān)鍵生命元素，表明黃刀灣理論上可以支持一些簡單微生物的生存，這些自養(yǎng)型的原核微生物能通過分解巖石和礦物獲取能量。在地球上某些洞穴和熱泉噴口，也經(jīng)?？梢砸姷竭@類微生物。

黃刀灣在蓋爾坑內(nèi)的位置

好奇號火星車上的桅桿相機拍攝的照片顯示，蓋爾坑里的Glenlg區(qū)域分布著一系列沉積巖，圖中是在黃刀灣西北方向觀察到的情形。

黃刀灣的地質(zhì)構(gòu)造。好奇號所在的“羊床”（Sheepbed）是其中地勢最低的地方，它分別在John Klein和Cumberland兩點進行了鉆孔取樣。

黃刀灣的水體平靜，水質(zhì)中性，擁有豐富的、生命所需的化學成分等，這些都是生命存活的重要條件，說明黃刀灣曾經(jīng)是一個非常適合火星生命存活的湖泊（見2013年12月9日Science雜志）。雖然科學家還沒有掌握火星存在遠古生命的直接證據(jù)，但這無疑是火星生命搜尋過程中非常積極的突破性進展。

好奇號的主要任務(wù)是尋找火星上可能適宜生命生存的地質(zhì)環(huán)境，火星車上并沒有配備可以直接探測生命跡象的工具，所以尋找有機碳就成為搜尋火星生命的重要途徑。在火星上高強度的宇宙射線照射下，有機碳在火星表面的保存時間有限。好奇號的鉆探設(shè)備可以鉆至5厘米深處的巖石樣本，有機碳在這一深度的巖石中可以保存7000萬年左右。下一步，好奇號將尋找化學條件更利于保存有機物、有機物含量較高、輻射暴露時間較短的巖石樣本。一旦好奇號檢測到有機碳，那將是火星曾經(jīng)有過生命的直接證據(jù)。

參考文獻

A。 Diez， Science 10.1126/science.aau1829 （2018）。

R。 Orosei et al。， Science 10.1126/science.aar7268 （2018）。

專家解讀：NASA如何發(fā)現(xiàn)火星液態(tài)水？http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=50811&do=blog&id=924274

未來一百年，我們能到哪里？https：//v.qq.com/x/cover/kt5weusfq7qlehr/a0346c3in5c.html

URL：http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aar7268

URL：http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aau1829