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这一次,我们真的在火星找到“地下湖泊”了吗?

 
分享: 2018-12-14
     

原题目:这一次,我们真的在火星找到“地下湖泊”了吗?

作者:haibaraemily

编辑:小柒

克日,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],惊不惊喜?意不意外?人类是不是很快就能去火星钻冰捞鱼了?

别兴奋的太早。虽然可能性很大,但照旧纷歧定。

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

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”。30多亿年以前的火星,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笼罩外貌。

只是现在,它们都已经成为过往。

随着火星的内部徐徐冷却,磁场逐步消逝,大气层闲逸,外貌的液态水也没能幸免。火星的外貌,最终酿成了现在我们看到的这样:严寒、干燥, “一片死寂”。

不外,照旧有大量固态形式的水(也就是水冰)保留在了火星上。

和地球一样,火星的南北极地域就有不少水冰袒露在外貌上,并存在季节性的涨退。

图:火星的四序转变和南北极冰盖。改编自:2003 Encyclopedia Britannica, Inc

随着人类孜孜不倦的探索,发现火星的地下也埋藏着大量的纯清水冰

天上飞翔的火星奥德赛号探测器,携带的伽马射线光谱仪GRS间接探测到过水冰;地上刨土的凤凰号着陆器直接在火星北极挖到了高纯度水冰…一些火星断崖中袒露出来的信息,甚至显示中纬区域的地下也有大量纯清水冰。

图:凤凰号挖到的两处水冰示例。泉源:参考文献[2]

以是,火星不是缺水(冰),而是缺“液态水”

火星外貌确实也曾发现过一些较新的、可能是流水侵蚀过的痕迹——例如冲沟和季节性斜坡纹线(RSL),但这最多只能代表火星外貌可能有季节性的、不稳固的少量液态水——总之,火星的地表上已经不行能另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)中差别时期的拍摄的照片显示出显着的流动痕迹,可能是液态水。泉源:维基

那么,火星上到底另有没有大量、稳固的“私藏”液态水存在于地表以下呢?为探明这一问题,科学家们孜孜以求了三十多年。

聚焦火星南北极!

若是火星的地下真的有稳固的液态水湖泊,那么最可能泛起在哪儿呢?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。

仔细研究火星的南北极,会发现这里的冰盖表层(既有水冰,也有干冰)之下,是下图这样的层状聚集层,由混杂着灰尘的水冰组成,层层累积起来就像“千层蛋糕”一样。

图:火星南极冰盖和层状聚集层。泉源:NASA

Clifford信赖,火星的稳固液态水最可能埋藏在这“千层蛋糕”一样的南北极冰盖之下。

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?有常年冰封的冰盖不是吗?这种地方为啥最可能泛起液态水?

实在,正是由于南北极冰盖太厚,发生了庞大的压强,使得冰的熔点降低,到了一定的深度,冰就会“迫于高压”融化成液态水

地球上实在已经有了不少这样的例子——好比南极冰盖的沃斯托克冰下湖,在零下几十度的情况中仍能保持液态。

位于南极冰盖4公里左右深处的沃斯托克冰下湖。厥后科学家们在这里打了钻。泉源: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不会有头绪……究竟火星南北极那么大,冰层又那么厚。就算知道准确的位置,也未必能挖的到。总之,这些要领都不靠谱。

探地雷达进场

有没有什么措施可以对火星南北极冰面举行“透视”呢?别说,还真有!探地雷达就可以通过电磁波信号来“看到”地下的浅表层结构。

由于差别物质的介电常数(可以简朴明白为让电磁波衰减的能力),导致雷达信号的吸收时间和反射强度也就差别,通过丈量这些参数,就可以反推出这些雷达信号穿过了哪些差别的物质,以及每层物质到底有多厚。

图:测地雷达探测浅表层结构的原理示意图。泉源:参考文献[4]

而这次的新发现,最大的元勋当属硕果累累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,一直事情到现在……虽然小猎犬2号着陆器失败,但丝绝不故障火星快车号一起开挂的科学发现。

火星快车号最主要的劳绩之一,是其搭载的可见光与红外线矿物光谱仪OMEGA,首次在火星外貌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情况,这讲明良久良久以前有大量液态水流经火星外貌[5]。

而这次的发现,是由火星快车号携带的、意大利开发的测地雷达MARSIS,在2012年5月到2015年12月三年多的数据网络整理获得的。

图:火星快车号睁开20米长的雷达天线举行探测时的设想图。泉源:维基

“透视”效果

“预言家”Clifford昔时以为,由于火星北极冰层更厚,以是更可能有冰下湖。不外,这次的冰下湖却是在火星南极冰盖下发现的(缘故原由可能是由于南极冰层更薄,以是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)。泉源:参考文献[1]

带着MARSIS的火星快车号探测器在扫描火星南极的某个区域时,发现了一个具有特殊信号的“异常区”

这个异常区的深度约莫在地表以下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规模,下图右图箭头处,宽度约莫有20公里。

图:本次研究中发现的异常区的规模(对应着高反射强度,图中蓝色区域)。泉源:ESA和参考文献[1]

研究者们在盘算出异常区域所在深度的同时,还算出了这个异常区域的介电常数。

统计效果显示异常区之内的概率峰值对应的介电常数>15,而异常戋戋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)异常区和周围的物质身分一定有很大差异,(2)异常区中的介电常数特殊高,大于15。

异常区里藏着什么?

是液态水湖吗?还纷歧定。

以我们对地球的雷达观察数据的剖析履历来说,要到达这么大的介电常数,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切合这样的介电常数。)

但在火星上,一切就不那么绝对了。究竟无法举行人工实地勘探,种种地下物理参数都是预计的,有许多不确定性。

而且纵然是液态的,也未必就以液态水湖这样的形式泛起。本次研究者给出的推论也提到这里既可能是液态湖,也可能是富含水的饱和沉积物层。

就算它是液态水湖,它也不是我们寻常见到的那种“湖”,而是个冰下“封印之湖”。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,远远低于之前以为的“压化”水冰的厚度,那么为什么水还可以保持液态的形式?

研究者给出的诠释是,这些液态水中含有大量的盐类(镁、钙、钠、高氯酸盐等),于是高压含盐的情况配合使得冰的熔点变低,于是水可以在不那么高压的情况下也得以保持液态。现在轨道器和着陆器火星车的探测效果也显示,火星全球应当都遍布高氯酸盐(和其他一些物质),水中高盐也不算意外。

总之,这个异常区域的液态水湖,现在照旧基于间接观察效果的其中一个推论而已。而且若是真的是液态水湖,可能更倾向于一潭卤水湖。

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,若是这里真的有冰下湖,那么很可能不止这一小块,只是其他地方尚未发现而已。而冰层更厚的北极冰盖之下,可能有更大更多的液态湖,只是现在的手艺手段还探不了那么深而已。

争议尚存

你或许会问,既然对火星探测了几十年,为啥之前的雷达观察都没有发现液态水呢?确实,除了火星快车号携带了探地雷达MARSIS,火星勘察轨道航行器(MRO)也携带过一个探地雷达SHARD,而且…SHARD也探测过这个区域。

可是SHARD却什么都没看到!

图:MARSIS和SHARD两个雷达在险些统一段航线下观察的的雷达剖面。改编自:参考文献[1]

因此,MRO项目组的科学家们对这个效果是持嫌疑态度的[6]。只管他们也认可,两个雷达的探测频段差别,泛起这种差异也是可能的。

更准确地说,SHARD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,以是SHARD没有看到雷达图中的亮线而MARSIS看到了是说的通的。

不外,MRO项目组的科学家们照旧以为应该再次检核SHARD的雷达数据,以确认是不是真的看不到。

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(以没有液态水为尺度,南北极也是沙漠)。

然而,飞速生长的深空探测结果一次又一次地给我们以惊诧: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,但越来越多的观察效果让我们信赖,太阳系并不是干枯的沙漠,而是蕴藏着数不清的生命之源。

至于人们最体贴的:这些冰下湖海中是不是有生命存在?只能说不能清除这种可能性,但也确实现在没有发现过相关证据。

也有人问道火星“移民”或许可以提上日程了吧?或许,这一天有可能会真的来临……但在那之前,无疑另有许多企图和准备事情等候我们去做。

作者手刺

排版:小爽

参考文献:

[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

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