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haibaraemily :这一次,我们在火星找到了液态湖?

2018-07-27 11:13:45

近日,意大利天体物理研究所的罗伯特·奥罗塞(Roberto Orosei)团队宣布他们可能在火星南极的冰盖之下发现了液态水湖[1],这一结果发表于2018年7月25日的《科学》杂志。

惊不惊喜?意不意外?是不是马上可以去火星钻冰捞鱼了?

别急。虽然可能性很大,但还是不一定。

不过,这至少已经是我们距离发现火星稳定的液态水储备最近的一次,也将长达三十多年的火星冰下“寻湖之旅”又推进一程。

水是生命之源,但火星真的缺水吗?

种种证据显示,曾经的火星很可能也是个宜居的“天堂”。那是30多亿年以前火星,内核有活力,外层有大气,既有磁场做“护身符”,还可能有过汪洋大海覆盖表面。

只是如今,它们都消失了。

火星的内部渐渐冷却,磁场慢慢消失,大气层散逸,然后表面的液态水也不能幸免。

火星的表面,最终变成了如今我们看到的这样:寒冷、干燥,一片死寂。

不过,还是有大量固态形式的水(也就是水冰)保留在了火星上。

火星的南北极地区就有不少水冰暴露在表面。火星的自传轴倾角和地球差不多(接近25°) ,因此也和地球一样,火星也有鲜明的四季变化,也有冰封的南北极(不过不只有水冰)。

图:火星的四季变化和南北极冰盖。改编自:2003 Encyclopedia Britannica, Inc

火星的地下更是埋藏着大量的纯净水冰。

在天上飞的火星奥德赛号轨道器搭载的伽马射线光谱仪GRS间接探测到过;

在地上刨土的凤凰号着陆器更是直接在火星北极挖到了高纯度水冰…

一些断崖中暴露出来的信息显示甚至中纬区域的地下也有大量纯净水冰(参见:《科学》杂志||未来的火星移民:凿冰饮水,指日可待?)。

图:凤凰号挖到的两处水冰示例。来源:参考文献[2]

火星不缺水,缺的是液态水。

火星表面确实也发现过一些年轻的、可能的流水侵蚀痕迹——例如冲沟和季节性斜坡纹线(RSL),但即使这真的代表如今的火星表面还有液态水,那也是少量季节性的、不稳定的液态水——总之,火星的地表上已经不可能还有大量液态水存在了。

图:HiRISE相机在火星上牛顿陨石坑(41.6°S, 202.3°E)中不同时期的拍摄的照片显示出明显的流动痕迹,可能是液态水,但目前也有很大争议。来源:维基

火星上有没有大量、稳定的液态水存在于地表以下呢?科学家们已经孜孜以求了三十多年。

走,还去南北极!

如果火星的地下真的有稳定的液态水湖泊,那么最可能在哪里?早在1987年,一个叫做Stephen Clifford的行星科学家就预言[3]:

最可能在火星南北极。

火星南北极冰盖的表层(既有水冰,也有干冰)之下是下图这样的层状堆积层,由混杂着尘埃的水冰组成。因为不同冰层中混合的尘埃百分比不同,所以不同时期形成的冰层颜色就会有差异,层层累积起来像千层蛋糕一样。

图:火星南极冰盖和层状堆积层。来源:NASA

Clifford相信,火星的稳定液态水最可能埋藏在南北极的冰盖之下。

可是等等!这听上去似乎不科学呀,照理说南北极不是最冷的地方吗?所以才会有冰盖不是吗?这种地方为啥最可能出现液态水?

其实,正是因为南北极厚厚的冰盖会产生巨大的压强,使得冰的熔点会降低,到了一定的深度,冰便会被“压化”。

地球上就有这样的例子,比如南极冰盖的沃斯托克冰下湖,就在零下几十度的环境中还能保持液态。

图:位于南极冰盖4公里左右深处的沃斯托克冰下湖。后来科学家们在这里打了钻。来源:维基

问题是,冰层下的水,要怎么找呢?

天上飞的轨道器很难探测到地下的结构,送个着陆器去挖似乎也没有头绪…火星南北极那么大,上哪儿挖?那么厚的冰层,怎么挖?总之,对人类目前的科技水平来说,无异于大海捞针。

探地能手雷达来帮忙

有没有什么办法可以对火星南北极冰面进行“透视”呢?别说,还真有!

那就是探地雷达。

探地雷达可以通过主动发射和接收电磁波信号来探测地下的浅表层结构。主要原理是不同物质的介电常数(可以简单理解为让电磁波衰减的能力)不同,因此探测器收到的从不同物质间的分界面反射回来的电磁波的时间和强度就会不同。

那么反过来,通过测量到的雷达接收时间和反射强度,就可以反推这些雷达信号穿过了哪些不同的物质,每层物质有多厚。

图:测地雷达探测浅表层结构的原理示意图。来源:参考文献[4]

而这次的新发现,最大的功臣当属超长待机的火星快车号探测器(Mars Express)。

作为欧空局的第一个火星探测器,火星快车号可以说是首战成名。它自2003年圣诞节进入火星轨道以来,一直…工作到现在…虽然释放小猎犬2号着陆器失败,但丝毫不妨碍火星快车号一路开挂的科学发现。

火星快车号最重要的发现之一,是其搭载的法国开发的可见光与红外线矿物光谱仪OMEGA首次在火星表面多处检测出了粘土矿物(也就是水合层状硅酸盐)。粘土的形成需要大量液态水的环境,这表明很久很久以前某个很长的时期有大量液态水流经火星表面[5] 。

而这次的地下异常,是由火星快车号携带的意大利开发的测地雷达MARSIS,通过对2012年5月到2015年12月历时三年多的数据的收集整理得到的。

图:火星快车号展开20米长的雷达天线进行探测时的假想图。来源:维基

发现了什么?

“预言家”Clifford当年认为,因为火星北极冰层更厚,所以北极冰盖下更加可能有冰下湖。

BUT,这次的冰下湖却是在火星南极冰盖下发现的。原因可能也是一样的,南极冰层更薄所以更容易被探测到冰下物质。

图:本次探测区域位于南极层状沉积层中(黑框区域)。来源:参考文献[1]

雷达信号通过不同介质的分界面返回的信号强度不同,那么如果地下有“异常”区域,这在雷达图像中会表现为一条“亮线”。下图中从上往下第一条亮线是真空和表面的分界层,中间千层蛋糕一样的冰层是一层一层堆积而成的层状堆积层,再往下第二条亮线,说明雷达信号在冰层之下又遇到了不同的物质。

图:其中一轨雷达剖面图的例子,可以看到,分界面对应着雷达反射强度较高的区域。双程脉冲走时就是雷达信号从发出到接收的时间(往返)。来源:参考文献[1]

这个异常区的深度大约在地表以下1.5公里处。多轨雷达数据可以圈定这个亮反射异常区域的范围,下图右图箭头处,宽度大约有20公里。

图:本次研究中发现的亮反射异常区的范围(对应着高反射强度,图中蓝色区域)。来源:ESA和参考文献[1]

在计算出异常区域所在深度的同时,还可以计算出这个异常区域(也就是亮反射区)的介电常数。

统计结果显示亮反射区之内的概率峰值对应的介电常数>15,而亮反射区之外的区域概率峰值对应的介电常数只有7左右。

这意味着:1)亮反射区和周围的物质成分必然有很大差异,2)亮反射区中的介电常数特别高(>15)。

图:基于雷达数据反推的亮反射区之内和之外两个区域的介电常数可能值。来源:参考文献[1]

以上就是这篇文章的计算结果了。

下面开始推理时间。

这个异常区域是什么?

是液态水湖吗?不一定。

以我们对地球的雷达观测数据的分析经验来说,要达到这么大的介电常数,这在地球上基本只有液态物质这一种可能性。南极和北极的冰下湖都符合这样的介电常数。

但这在火星上,就不那么不绝对了。毕竟无法进行人工实地勘探,各种地下物理参数都是估计的,有很多不确定性。

而且即使是液态的,也未必就是液态水湖这样的形式,文章作者给出的推论说的是液态湖或者富含水饱和沉积物层都有可能。

如果是液态水湖,会是什么样的?

这个区域的温度低达零下70摄氏度,然而这里的冰盖厚度只有1.5公里,远远低于之前认为的“压化”水冰的厚度,那么为什么水还可以保持液态水的形式?

作者给出的解释是,这些液态水中含有大量的盐类(镁、钙、钠、高氯酸盐等),于是高压含盐的环境共同使得冰的熔点变低,于是水可以在不那么高压的环境下也得以保持液态。目前轨道器和着陆器火星车的探测结果也显示,火星全球应当都遍布高氯酸盐(和其他一些物质),水里有盐类也不意外。

总之,这个异常区域是液态水湖,这是完全有可能的。但这也是基于间接观测结果的其中一个推论而已。只不过,如果真的是液态水湖,那应该是一潭卤水湖。

而另一方面,由于探地雷达MARSIS的分辨率较低,我们有理由推测,如果这里真的有冰下湖,那么很可能不止这一小块,只是其他地方尚未发现而已。

我们也有理由推测,冰层更厚的北极冰盖之下,可能有更大更多的液态湖,只是目前的技术手段还探不了那么深而已。

争议尚存:为什么之前雷达观测没有发现?

除了火星快车号携带了探地雷达MARSIS,火星勘测轨道飞行器(MRO)也携带过一个探地雷达SHARAD,而且…SHARAD也探测过这个区域。

然而,SHARAD什么都没看到!

图:MARSIS和SHARAD两个雷达在几乎同一段航线下观测的的雷达剖面。改编自:参考文献[1]

因此,MRO项目组的科学家们对这个结果是持怀疑态度的[6]。尽管他们也承认,两个雷达的探测频段不同,出现这种差异也是可能的。

更准确地说,SHARAD的探测频段是高频,这意味着分辨率高但探测深度浅,而MARSIS是低频,分辨率低但探测深度深,所以SHARAD没有看到雷达图中的亮线而MARSIS看到了是说的通的。

不过,MRO项目组的科学家们还是认为应该再次检核SHARAD的雷达数据,以确认是不是真的看不到。

还有一个问题,是地球物理数据反演的多解性。雷达也好、地震波也好、重力也好,这类地球物理数据在反算一些参数的时候会有多种可能,也就是可以达到这样的结果的原因不唯一。

举个简单的例子,如果我们发现地上湿了,会推测可能是因为下过雨了,也可能是因为有洒水车经过,还可能是其他原因。

通过增加限制条件可以减少多解性,例如通过查询之前的天气数据,或者查询是不是有洒水车经过,但如果可能的原因太多,或者可以限制的条件有限,那多解性还是很难完全避免的。

魂牵梦萦,生命之水

二十多年前的人类,以为整个太阳系中除了地球之外都是沙漠(以没有液态水为标准,南北极也是沙漠)。

然而,飞速发展的深空探测成果一次又一次地让我们惊讶:

或许,火星有冰下湖,谷神星有冰下海,木卫二和木卫三、土卫二和土卫六,甚至冥王星…它们的冰层之下也都有区域性或者全球性的盐水海洋。

虽然这些都还没有真的钻孔采样挖出来让我们亲眼看到,但越来越多的观测结果让我们相信,太阳系并不是干涸的沙漠,而是蕴藏着数不清的生命之源。

至于人类最关心的:这些冰下湖海中是不是有生命存在?不能排除这种可能性,但也确实目前没有发现过相关证据。

甚至,要不要赶紧送个探测器上去挖一挖?我建议你们还是冷静一点…当年在沃斯托克冰下湖打冰芯已经很让人捏一把汗了。以我们目前的技术水平,又如何能保证在火星打冰芯的时候不带去任何来自地球的微生物或者其他物质的污染呢?

或许将来,这一天终究会来临,但在那之前,我们要做好周全的计划和准备。

谨慎,再谨慎。

(本文首发于微信公众号“我是科学家iScientist”,作者为haibaraemily,观察者网已获作者授权转载。)

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从事行星科学研究

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来源:我是科学家iScientist | 责任编辑:李泠
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