最快最全解讀火星觀測到液態水湖！火星移民不是夢！
出品 | 新浪科技《科學大家》
撰文 | 鄭永春 中國科學院青年創新促進會會員、科普中國形象大使、中國科學院國家天文台研究員
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，也是唯一經改造後適合大規模移民的星球。中國首次火星探測任務將於2020年實施，將在一次任務中同時實現對火星「環繞、著陸、巡視」探測的目標。探測器發射後經過約7個月巡航飛行，被火星捕獲，環繞器環繞火星飛行後與著陸巡視器分離，然後進入任務使命軌道開展對火星全球環繞探測，同時為著陸巡視器開展中繼通訊。著陸巡視器與環繞器分離後進入火星大氣層，經過氣動外形減速、降落傘減速和反推發動機動力減速，最後下降著陸在火星表面。火星車駛離著陸平台後，將對火星的形貌、土壤、環境、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後，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》本周拋出火星研究的新發現——火星南極冰蓋下發現20公里寬的液態水體。
找水，是為了尋找生命
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態水，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。火星探測器獲得高解析度圖像，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，火星上有大量乾涸的河谷和湖泊，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。
歷史上即便有再多的水，也不如現在去發現有沒有水。於是，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態水。於是，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。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，可能是融化的液態水，但只是季節性出現，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態水體，但一直沒有得到證實。
要有生命，就要有穩定的液態水體，但火星上一直沒有發現。
本周的《科學》雜誌，發表了義大利科學家Orosei領銜的團隊的最新研究成果。他們分析了火星快車號探測器的雷達數據，發現火星南極的冰蓋下1.5公里深處，有一個巨大而穩定的液態水體。
火星南極的冰蓋下1.5公里深處（黑色正方形區域），有一個巨大而穩定的液態水體。
極冷的天氣，仍可能存在液態水體
地球上的南極，儘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水體存在。
南極冰蓋下面的液態水體，就是用雷達波探測到的。雷達主動發射電磁波，並接收反射的回波。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、液態水體之間的界面，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號探測器，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，最後認為，這個反射體唯一的可能，是液態水體或含水的飽和泥沙沉積。
新發現的液態水體位於火星南極，中心位於東經193°，南緯81°附近。通過定量分析雷達信號發現，該特徵的相對介電常數大於15，遠遠大於岩石和冰層的介電常數，而與含液態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，含鹽的液態水體仍然可以存在。
也就是說，這次發現的液態水體是一個鹽湖，像前幾次發現的液態水一樣，仍然是滷水。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，在南極麥克默多乾燥的山谷中，水的鹽度為200。在那裡，零下13°C，水仍然沒有結冰，仍然保持液態。相比之下，海水的鹽度介於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，可以將水的冰點降低到零下74°C。當位於冰蓋底部時，由於鹽類的存在，液態水體可以穩定存在。
天啊，74°C都不會結冰的水，該是多麼濃的滷水啊。此前，鳳凰號著陸腿上的露珠，以及斜坡上季節性凍融的液態水，都證明水中含有鹽類。
雷達回波探測到的液態水體（圖中黑色三角形圈出的地區）
液態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，也是唯一經改造後適合大規模移民的星球。中國首次火星探測任務將於2020年實施，將在一次任務中同時實現對火星「環繞、著陸、巡視」探測的目標。
在這次的新發現中，科學家推測，火星南極冰蓋下穩定的液態水體中，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，但一些耐鹽鹼的微生物仍然是可能的。
這次發現的液態水體很大，寬20千米，相當於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，有望獲得高解析度的雷達探測數據，有可能探測到更小面積的液態水體。
與地球上的冰蓋一樣，火星極地冰蓋也是經歷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歷史。這次在冰蓋下面找到液態水體，對將來利用冰蓋解讀火星氣候變化歷史十分關鍵。由於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。火星冰蓋的移動到底是什麼原因導致的，是冰層的變形，還是冰蓋根本就沒有移動？這一問題有待於未來的探測任務來回答。
對於那些質疑將來火星移民可能性的人，我想強調一下，目前至少可以明確的是，火星上並不缺水。
很可能，人類移民火星不是夢。你，有這個打算嗎？
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現使美國至今保持著全球深空探測的領導地位。
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，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，但結果並沒有獲得火星生命的證據。
進入新世紀以來，人類先後發射環繞火星的軌道器、著陸在火星表面的著陸器、巡視探測的火星車，開展了高解析度的地形地貌成像，並運用了雷達探測、光譜、質譜和中子分析等多方面探測手段，獲得了流水侵蝕、河流衝擊扇和三角洲等地貌特徵，發現了水成礦物和鹽湖沉積、沉積岩石地層，以及極地冰蓋、大氣中的甲烷和水蒸氣等系列證據，證明火星表面曾經有過大規模的水體活動，暗示火星曾經有過適宜生命繁衍的環境特徵，並可能發育過生命。
2001年，奧德賽號發現水流痕迹：奧德賽號的全稱是2001火星奧德賽探測器（2001 Mars Odyssey），於2001年4月7日發射升空，同年10月24日到達火星軌道。這是一顆環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。
奧德賽號耗資約2.97億美元，由洛克希德·馬丁公司研製，主要承擔火星探測漫遊者（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，同時探測數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迹。
2003年，機遇號和勇氣號發現粘土礦物：機遇號和勇氣號是一對「孿生兄弟」，於2003年年中發射升空，2004年1月降落在火星，最初「工作任務」是完成3個月火星探險，到2013年8月已離開地球10周年。勇氣號於2010年停止工作，而機遇號依舊孜孜不倦，不斷發回探測成果。
2013年5月，機遇號火星車在一塊岩石中分析發現了豐富的粘土礦物。粘土礦物是水與岩石發生長期反應，導致岩石的化學成分發生重大改變而形成的，這說明曾經有大量的水流經並浸泡這塊岩石。
這塊名為「埃斯佩朗斯6號」的岩石表面覆蓋著塵埃和雜質，機遇號一共嘗試了7次，才磨掉表層物質，進而分析石塊內部的物質組成。這塊岩石中的粘土礦物富含鋁，非常類似於地球上的微晶高嶺石，說明當時流經岩石縫隙的水是中性的。埃斯佩朗斯6號形成於火星歷史最初的10億年，是機遇號檢測過的最古老岩石。
機遇號此前分析過多塊岩石，雖然也都發現火星曾經有過濕潤環境，證明火星上曾經有過水體活動。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境，在酸性環境中很難通過化學反應轉化為生命。此次，機遇號發現可飲用的中性水，成為可以支持生命誕生的重要證據。
2004年，火星快車發現曾經的海岸線和沉積物：如今的火星表面類似於地球上的戈壁灘，是一片不毛之地。但已有證據顯示，火星上曾經兩度存在海洋。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後湧出地面，形成了最早的火星海洋。之後環境惡化，液態水逐漸退回並凍結於地下。另一次火星海洋則出現在30億年前。
2004年歐洲空間局發射的火星快車，獲得了火星的可見光圖像數據、礦物分析數據，以及大氣觀測結果，證明火星曾經有水。但是，曾經龐大的火星地表水體後來到哪裡去了呢？
2012年2月，火星快車上的雷達探測結果展示了火星地表以下60~80米的情況，發現北部平原的地下存在一層低密度物質，可能是某種富含冰的沉積物。這層低密度物質讓人不由地聯想到地球海床中也有類似的沉積物。更重要的是，這層物質正好位於此前任務發現的火星海岸線以內。這說明火星乾涸的北部平原在數十億年前可能是一片汪洋，如今的紅色行星可能曾經是一個藍色星球。
火星的北部平原在數十億年前可能是一片汪洋（左），火星快車探測器發現的「海床」沉積物恰好位於火星的古海岸線以內（右）。
雷達探測在火星北部平原發現了一層低密度物質
2005年發射的火星勘測軌道器發現仍在流動的液態水：火星勘測軌道器的高分辨相機在火星表面發現了季節性坡紋，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發現，當氣溫上升時，季節性坡紋開始形成並發育壯大，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，在整個夏季變得越來越明顯，到秋冬季節逐漸消失。由於季節性坡紋的光譜與水合鹽類物質的光譜具有相同的吸收特徵，推測季節性坡紋中存在水合鹽類；最後，根據季節性坡紋中光譜監測到的水合鹽類含量的變化，可以確定這些季節性坡紋是由水流作用形成的。這說明，即便在遠低於零攝氏度的低溫下，火星上仍然存在富含高氯酸鹽的滷水，並且具有一定流動性。
2008年，鳳凰號發現土壤中的水：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採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。鳳凰號還發現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。
鳳凰號著陸器有一個高溫爐和質譜儀的結合體——熱量和揮發氣體分析儀，用來分析火星土壤樣品。機械臂於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並加熱。當溫度加熱到0攝氏度時，質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。當高溫爐持續加熱到1000攝氏度時，土壤中的其他揮發性物質會蒸發成氣體，通過惰性載體送到質譜儀，即可檢測到土壤中存在的微量有機分子。
2011年，好奇號發現黃刀灣淡水湖：2011年11月26日，美國發射了好奇號火星車，於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，大致相當於一輛SUV汽車。
好奇號搭載了11種不同的科學儀器，是人類有史以來製造的體積最大、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境下是否適宜生命生存，為最終發現火星生命做準備。
2012年9月，好奇號發回了距離著陸點400米的「格萊內爾格」區域中古老河床礫岩層的圖像。這些圖像展示了礫岩中的石子大小和形狀。石子大小介於沙粒到乒乓球之間，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。若要衝刷形成這種尺寸的光滑鵝卵石，河流的水速應該為每秒0.2米至0.75米之間，水深在0.03米至0.9米之間。
2012年在蓋爾坑著陸後，好奇號發現著陸點附近有一個深達5米的溝槽，其中存在熱異常現象。好奇號對溝底的沉積岩進行了鑽探分析，結果證實36億年前那裡曾經是一個至少存在了數萬年的湖泊，湖泊長約50千米，寬約5千米。湖泊遺迹所在區域被命名為「黃刀灣」。
科學家分析了從黃刀灣兩塊岩石樣本中提取的粘土，發現湖底區域的pH值呈中性，鹽度很低，說明黃刀灣曾經是一個淡水湖。而當時火星上的其它地區要麼已經乾涸，要麼分布著含鹽量高、不適合生命存活的酸性湖泊。
好奇號在湖底沉積物中還發現了碳、氫、氧、硫、氮和磷等關鍵生命元素，表明黃刀灣理論上可以支持一些簡單微生物的生存，這些自養型的原核微生物能通過分解岩石和礦物獲取能量。在地球上某些洞穴和熱泉噴口，也經常可以見到這類微生物。
黃刀灣在蓋爾坑內的位置
好奇號火星車上的桅杆相機拍攝的照片顯示，蓋爾坑裡的Glenlg區域分布著一系列沉積岩，圖中是在黃刀灣西北方向觀察到的情形。
黃刀灣的地質構造。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兩點進行了鑽孔取樣。
黃刀灣的水體平靜，水質中性，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雜誌）。雖然科學家還沒有掌握火星存在遠古生命的直接證據，但這無疑是火星生命搜尋過程中非常積極的突破性進展。
好奇號的主要任務是尋找火星上可能適宜生命生存的地質環境，火星車上並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。好奇號的鑽探設備可以鑽至5厘米深處的岩石樣本，有機碳在這一深度的岩石中可以保存7000萬年左右。下一步，好奇號將尋找化學條件更利於保存有機物、有機物含量較高、輻射暴露時間較短的岩石樣本。一旦好奇號檢測到有機碳，那將是火星曾經有過生命的直接證據。
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如何發現火星液態水？http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=50811&do=blog&id=924274
未來一百年，我們能到哪裡？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
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