火星上發現了大量的冰！純水的！以後移民火星，是不是可以就地取水啦？

探索 01-17

作者：灰原哀博士（haibaraemily）

編輯：明天

水和有機物，是可能與生命的存在息息相關的重要條件，因此也是深空探測中魂牽夢縈的重要搜尋目標，但這裡所說的「水」，其實都是特指的「液態水」。

而固態形式的水，也就是水冰，其實在內太陽系（小行星帶以內的太陽系）並不罕有，在外太陽系（小行星帶以外的太陽系）就更常見了。畢竟要想讓水冰穩定保存下來，需要的條件要簡單得多：夠冷就行。

那麼火星上有沒有水冰呢？不僅有，而且還不少。

火星地表的水冰

火星的南北極地區就常年有大量的水冰暴露在表面上。火星的自傳軸傾角和地球差不多（接近25°），所以和地球一樣，火星也有鮮明的四季變化，也有終年冰封的南北極。只不過，火星的南北極冰蓋里不僅有水冰，還有乾冰（固態二氧化碳）。再加上火星比地球離太陽更遠，總體來說還要比地球更冷一些。

火星的南北極和地球一樣終年覆蓋著冰層。圖片來源：Encyclopedia Britannica | 翻譯：haibaraemily

那中低緯區域可能有水冰存在嗎？

雖然火星現在的自轉軸傾角和地球差不多，但在歷史上，火星的自轉軸傾角有過從約10°到約60°的劇烈動蕩[1]。當自轉傾角很大的時候，中低緯甚至赤道區域都有可能像如今的極區一樣，有著適宜水冰存在的低溫；但隨著自轉傾角的減小，中低緯度的溫度隨之增高，地表水冰就呆不住了……

所以如果是地表水冰的話，答案應該是「沒有」。

但，地下還是可以有的嘛~如果這些水冰在還沒升華散逸的時候就被表層土壤埋起來了，就相當於有了一層隔熱層，那麼即使是中低緯度也是可能會有水冰的……吧？

幾十年前，科學家們通過理論分析和對海盜號獲取的火星大氣數據的分析，就做出了這樣的預測[2-4]。

尋找火星地下水冰的漫漫長路

這一預（猜）測（想）在新世紀的火星探測熱潮中很快就被著陸器和軌道器傳回來的數據證實了。

2001年發射的火星奧德賽號軌道器搭載的伽馬射線光譜儀GRS（Gamma Ray Spectrometer ）首次在火星上探測到了氫的存在，間接證實了火星地下含有水冰[5]。哦對了，這傢伙和機遇號火星車一樣，也是個超長待機的主兒，到現在仍在火星上空工作著。

奧德賽號的伽馬光譜儀測量的火星全球超熱中子量分布。因為超熱中子被氫原子慢化的效率最高，所以觀測到的超熱中子量越低就代表氫的富集度（水冰含量）越高，白線劃定的區域被認為地表80cm以下有穩定存在的水冰。圖片來源：參考文獻[5]

2008年發射的鳳凰號著陸器就更加給力了，因為它……直接挖到了水冰……而且既挖到了高純度的水冰，也挖到了滲透在土壤中的純度不高的水冰，堪稱一記實錘[6]。但鳳凰號的著陸點在火星北緯68°附近，還是挺高的。

在沒有著陸器和火星車實地挖掘的情況下，我們如何才能知道，比這更低的中緯度上還有沒有大量的地下水冰存在呢？

左下和右下是鳳凰號挖到的兩處水冰示例。圖片來源：參考文獻[6] | 翻譯：haibaraemily

2009年，亞利桑那大學的Byrne和Dundas團隊提出了一種極其巧妙的方法：雖然我們不能親身去火星掘地三尺，但自有大自然把地下的物質挖出來給我們看呀！他們通過對中緯區域新產生的小型撞擊坑進行連續跟蹤，發現有些撞擊坑中的明亮濺射物在火星勘測軌道飛行器(MRO)攜帶的CRISM光譜儀的分析中顯示出含有水冰。更重要的是，這些亮斑過了幾個月消失了！這表明，這些年輕的撞擊坑挖掘出的確實是地下的水冰，然後這些水冰暴露出地表之後很快就升華散逸了。

左圖的兩處亮斑（水冰）在幾個月後的右圖中消失了。圖片來源：參考文獻[9]

這樣的新鮮撞擊坑他們一共找到了五處，總體都位於北緯40-55°範圍，證明中緯區域的地下確實有水冰存在[9]。但因為這些年輕撞擊坑都很小，向下挖掘深度只有幾分米，所以這些信息並不能告訴我們這些水冰到底量有多大，垂直分布如何。

在北緯40-55°範圍發現了五處地下水冰。底圖是海盜2號通過對火星大氣的測量估算的地下冰層的可能深度。圖片來源：參考文獻[9]

9年之後的今天，現已轉職去了美國地質調查局（USGS）空間地質科學中心的Dundas，和Byrne等一眾老隊友一起，解決了這個問題，並把成果發表在了剛剛出版的《科學》（Science）雜誌上[7]。Dundas和同事們再次利用大自然的鬼斧神工，通過詳細研究火星中緯度的八處斷崖地貌，「窺見」了火星中緯區域的地下深處。他們發現，火星中緯區域的地下不僅有水冰，而且是大量的純凈水冰，從地下1-2米一直延伸到地下100多米。

火星中緯區域的大量水冰

Dundas團隊發現，火星中緯區域一些可能是塌陷和滑坡導致的斷崖，在經過了色彩加強處理的超高解析度MRO HiRISE影像中很有點不一樣：它們呈現出與周圍環境不同的色彩（也就是下圖右上的藍色區域，不過要注意的是，這裡是色彩加強處理過的結果，並不是真實的顏色），表明這些剖面中物質的成分不同。也就是說，這些斷崖相當於是大自然贈與的天然剖面，可以讓我們從中窺見火星地表以下的地層結構，而這些地層中暴露出來的成分不同的物質，可能就是水冰。

斷崖形態示例，aa"、bb"、cc"和dd"對應於右下的四副高程剖面圖，表明斷崖位於塌陷和滑坡的高處（後緣）。右上是斷崖部分在HiRISE的色彩加強影像中顯示出的色調差異。圖片來源：參考文獻[7] | 翻譯：haibaraemily

為了證實這一猜想，他們在火星中緯度區域苦苦搜尋，共在南北緯55°附近找到了8處有類似特徵的斷崖（scarp），全部都非常年輕。其中scarp 1-3三處在夏季中期時的CRISM光譜分析中顯示出了明顯的水冰吸收，表明這裡含有純度較高的水冰（雜質不超過1%），而不是滲透在土壤中的純度不高的水冰。

八處研究區域分別是位於南半球的Scarp 1-7和位於北半球的Milankovi?撞擊坑。製圖：haibaraemily。根據參考文獻[7]的補充材料繪製。

通過對剖面形態、高程和淺層雷達數據的分析，可以推測這些區域地下地層的垂直構造：這些水冰的貯存量非常大，從地下1-2米一直延伸到地下100多米。

斷崖之下可能的地層垂直結構簡單示意圖，當然實際每層的厚度不是固定不變的，而是處處不同。製圖：haibaraemily。根據參考文獻[7]的補充材料繪製。

也就是說，這是第一次在火星中緯地區發現了大量純凈的地下水冰。

此外，在Scarp 2區域還有意外的發現。通過對比此處時隔三個火星年（約6個地球年）的探測器影像，Dundas團隊發現這裡一些小石塊的位置發生了變化。劃重點：是位置發生了變化，而不是消失了（說明這些石塊確實是石塊而不是撞擊濺射出來的水冰，因為後者會因為升華而消失）。這表明此處新暴露出來的水冰正在迅速升華消退（每個夏季消退幾毫米量級），由此引起的地形變化使石塊發生了移動。附近一些其他區域也發現了地貌上的微小變化，可能也是因為水冰消退引起的。

Scarp 2區域小石塊的位置因為水冰的消失發生了變化。圖片來源：參考文獻[7] | 翻譯：haibaraemily

斷崖暴露出的水冰本身也顯示出了明顯的緊密分層。作者由此推測，這些水冰可能是在火星自轉軸傾角較大，也就是中緯區域溫度較低的時候，由長年的降雪或者霜凍，一層一層不斷壓緊和重結晶形成的。

這麼多水冰，有用嗎？

超有用。這裡挑兩點說。

一是可以幫助我們追溯火星歷史上的氣候變化。這些一層一層的冰層，就像我們地球上的地層一樣，忠實記錄著火星過去的氣候和地質歷史，例如顏色較深、較厚的冰層說明那一年火星大氣中含有的塵埃較多……這些已經在對火星南北極冰蓋的冰層研究中得到了應用。

深淺不一的火星北極層狀沉積物。來源：NASA

二是可以作為將來登陸火星的宇航員和火星移民的補給來源。純凈的水冰可以在簡單的處理之後成為人類的飲用水，更可以和二氧化碳（火星大氣中的主要成分）進行反應，產生可供人類呼吸的氧氣和可供作為火箭推進燃料的甲烷 [8]。只不過……唯一的問題是……既想著陸器獲得足夠的太陽能供給，又想著陸器著陸在一個富含水冰（緯度不太低）的地方，實在是挺難兩全的。

目前的火星著陸器，如果是對太陽能供電依賴度較高，那麼選址基本會劃定在南北緯30°之間，比如接下來的Mars2020。2018年5月即將發射的洞察號火星著陸器，更是把著陸範圍縮小到了北緯3-5°之間。

所以南北緯55°，對火星載人著陸任務來說…還是…鞭長莫及啊，但可以沿用這個思路進一步去尋找位於更低緯度的斷崖，或許有望能找到緯度更低的地下水冰儲備也未可知吧。

Mars2020的備選著陸點，考慮光照因素，一開始就是在南北緯30°之間尋找著陸點。不過現在已經又進一步篩選過幾輪了啦。來源：NASA

作者名片

排版：曉嵐

參考文獻：

1. The Obliquity of Mars | HiRISE https://hirise.lpl.arizona.edu/ESP_034132_1750

2. Leighton, R. B., & Murray, B. C. (1966). Behavior of carbon dioxide and other volatiles on Mars. Science, 153(3732), 136-144.

3. Mellon, M. T., & Jakosky, B. M. (1993). Geographic variations in the thermal and diffusive stability of ground ice on Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 98(E2), 3345-3364.

4. 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.

5. Boynton, W. V., Feldman, W. C., Squyres, S. W., Prettyman, T. H., Brückner, J., Evans, L. G., ... & Englert, P. A. J. (2002). Distribution of hydrogen in the near surface of Mars: Evidence for subsurface ice deposits. Science, 297(5578), 81-85.

6. Mellon, M. T., Arvidson, R. E., Sizemore, H. G., Searls, M. L., Blaney, D. L., Cull, S., ... & Markiewicz, W. J. (2009). Ground ice at the Phoenix landing site: Stability state and origin. Journal of Geophysical Research: Planets, 114 (E1).

7. Dundas, C. M., et al. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science, 359(6372), 199–201.

8. Voosen P. (2018). Cliffs of ice spied on Mars. Science, 359(6372), 145.

9. Byrne, S., Dundas, C. M., Kennedy, M. R., Mellon, M. T., McEwen, A. S., Cull, S. C., ... & Cantor, B. A. (2009). Distribution of mid-latitude ground ice on Mars from new impact craters. Science, 325(5948), 1674-1676.

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本文來自果殼網