火星快車号（Mars Express）

找水，是為了尋找生命

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射火星探測器的絕佳時機。正當全球關注火星的時候，《科學》本周抛出火星研究的新發現——火星南極冰蓋下發現20公裡寬的液态水體。

沒有水，就沒有生命。科學家一直在太陽系其他行星上尋找液态水，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，已經成為人類除地球以外了解最為透徹的行星。火星探測器獲得高分辨率圖像，可以分辨出直徑30厘米以上的物體。根據這些資料，科學家發現，火星上有大量幹涸的河谷和湖泊，這些地貌證明，火星在曆史上一定有過大量的江、河、湖、海。他們甚至在一條幹涸的小溪中發現了很多鵝卵石，據此推測出當時溪流的深度和流速。

曆史上即便有再多的水，也不如現在去發現有沒有水。于是，科學家發現了火星大氣層中含有少量水汽，而地表也發現了一些水冰。

冰再多，也不能繁衍生命，我們更希望能夠發現液态水。于是，科學家在鳳凰号着陸器的着陸腿上，觀察到了冷凝的水滴——露珠。火星夏季的赤道地區，在一些斜坡上，發現了一些奇怪的暗色條紋，可能是融化的液态水，但隻是季節性出現，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，認為火星極地冰蓋下面可能存在液态水體，但一直沒有得到證實。

要有生命，就要有穩定的液态水體，但火星上一直沒有發現。

本周的《科學》雜志，發表了意大利科學家Orosei領銜的團隊的最新研究成果。他們分析了火星快車号探測器的雷達數據，發現火星南極的冰蓋下1.5公裡深處，有一個巨大而穩定的液态水體。

圖1 火星南極的冰蓋下1.5公裡深處（黑色正方形區域），有一個巨大而穩定的液态水體。

極冷的天氣，仍可能存在液态水體

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公裡，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态水體存在。

南極冰蓋下面的液态水體，就是用雷達波探測到的。雷達主動發射電磁波，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，它們會在不同物質之間的界面反射回波，如冰層與基岩、含水的泥沙、液态水體之間的界面，都會反射回波。雷達沿着飛行軌道前進，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

現在，這種在地球南極證明有效的探測手段，被Orosei等應用到了火星上。由歐洲空間局主導的火星快車号探測器，在火星上空已經環繞飛行了12年，上面正好搭載了一台低頻探測雷達。科學家們收集了2012年5月至2015年12月期間3年多的雷達探測數據，識别出一個20公裡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，最後認為，這個反射體唯一的可能，是液态水體或含水的飽和泥沙沉積。

新發現的液态水體位于火星南極，中心位于東經193°，南緯81°附近。通過定量分析雷達信号發現，該特征的相對介電常數大于15，遠遠大于岩石和冰層的介電常數，而與含液态水物質的介電常數相當。

火星南極比地球上的南極洲更寒冷。火星南極冰蓋底部的溫度約為零下68°C左右，因此，1.5公裡厚的冰蓋下，是不可能存在純淨的液體水體的。但是，含鹽的液态水體仍然可以存在。

也就是說，這次發現的液态水體是一個鹽湖，像前幾次發現的液态水一樣，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。在地球上就發現了這樣的鹽水湖，在南極麥克默多幹燥的山谷中，水的鹽度為200。在那裡，零下13°C，水仍然沒有結冰，仍然保持液态。相比之下，海水的鹽度介于32和37之間，零下2°C時就會結冰。

在火星表面，科學家此前已經發現了鈉鹽、鎂鹽、鈣鹽，水中如果含有這些鹽類物質，可以将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，液态水體可以穩定存在。

天啊，零下74°C都不會結冰的水，該是多麼濃的鹵水啊。此前，鳳凰号着陸腿上的露珠，以及斜坡上季節性凍融的液态水，都證明水中含有鹽類。

圖2 雷達回波探測到的液态水體（圖中黑色三角形圈出的地區）

液态水體導緻了南極冰蓋移動嗎

科學家推測，火星南極冰蓋下穩定的液态水體中，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，或在基岩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？我們仍然不得而知。根據我在青海看到的大量鹽湖推斷，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。

這次發現的液态水體很大，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。随着中國、美國等國家開展新一輪的火星探測任務，有望獲得高分辨率的雷達探測數據，有可能探測到更小面積的液态水體。

與地球上的冰蓋一樣，火星極地冰蓋也是經曆了數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曆史。這次在冰蓋下面找到液态水體，對将來利用冰蓋解讀火星氣候變化曆史十分關鍵。由于冰蓋底部水的摩擦力降低，将使水的流速增加，從而導緻冰蓋移動。火星冰蓋的移動到底是什麼原因導緻的，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來回答。

對于那些質疑将來火星移民可能性的人，我想強調一下，目前至少可以明确的是，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？

（作者鄭永春，系中國科學院國家天文台研究人員）

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