火星快車號（Mars Express）

火星距離地球最近約為(wei) 5500萬(wan) 公裏，最遠達4億(yi) 公裏，是太陽係中與(yu) 地球最為(wei) 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(yu) 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(ge) 月巡航飛行，被火星捕獲，環繞器環繞火星飛行後與(yu) 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(wei) 著陸巡視器開展中繼通訊。著陸巡視器與(yu) 環繞器分離後進入火星大氣層，經過氣動外形減速、降落傘(san) 減速和反推發動機動力減速，最後下降著陸在火星表麵。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(yi) 上的行星探測。

2018年7月27日，恰逢火星大衝(chong) ，火星與(yu) 地球之間的距離達到最近，是從(cong) 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(guan) 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公裏寬的液態水體(ti) 。

找水，是為(wei) 了尋找生命

沒有水，就沒有生命。科學家一直在太陽係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(wei) 人類除地球以外了解最為(wei) 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(ti) 。根據這些資料，科學家發現，火星上有大量幹涸的河穀和湖泊，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(men) 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。於(yu) 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(men) 更希望能夠發現液態水。於(yu) 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(wei) 火星極地冰蓋下麵可能存在液態水體(ti) ，但一直沒有得到證實。

要有生命，就要有穩定的液態水體(ti) ，但火星上一直沒有發現。

本周的《科學》雜誌，發表了意大利科學家Orosei領銜的團隊的最新研究成果。他們(men) 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公裏深處，有一個(ge) 巨大而穩定的液態水體(ti) 。

火星南極的冰蓋下1.5公裏深處（黑色正方形區域），有一個(ge) 巨大而穩定的液態水體(ti) 。

極冷的天氣，仍可能存在液態水體(ti)

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(yu) 寒冷的地表隔絕。地球南極的冰蓋厚度達4.8公裏，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(ti) 存在。

南極冰蓋下麵的液態水體(ti) ，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(chuan) 輸時，它們(men) 會(hui) 在不同物質之間的界麵反射回波，如冰層與(yu) 基岩、含水的泥沙、液態水體(ti) 之間的界麵，都會(hui) 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(ti) 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，上麵正好搭載了一台低頻探測雷達。科學家們(men) 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(ge) 20公裏寬的異常明亮的反射體(ti) ，而且在多個(ge) 飛行剖麵都存在。他們(men) 排除了許多可能的解釋，最後認為(wei) ，這個(ge) 反射體(ti) 唯一的可能，是液態水體(ti) 或含水的飽和泥沙沉積。

新發現的液態水體(ti) 位於(yu) 火星南極，中心位於(yu) 東(dong) 經193°，南緯81°附近。通過定量分析雷達信號發現，該特征的相對介電常數大於(yu) 15，遠遠大於(yu) 岩石和冰層的介電常數，而與(yu) 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(wei) 零下68°C左右，因此，1.5公裏厚的冰蓋下，是不可能存在純淨的液體(ti) 水體(ti) 的。但是，含鹽的液態水體(ti) 仍然可以存在。

也就是說，這次發現的液態水體(ti) 是一個(ge) 鹽湖，像前幾次發現的液態水一樣，仍然是鹵水。這是因為(wei) ，如果在水中溶解了大量的鹽，水的冰點就會(hui) 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穀中，水的鹽度為(wei) 200。在那裏，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(yu) 32和37之間，零下2°C時就會(hui) 結冰。

在火星表麵，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(yu) 冰蓋底部時，由於(yu) 鹽類的存在，液態水體(ti) 可以穩定存在。

天啊，74°C都不會(hui) 結冰的水，該是多麽(me) 濃的鹵水啊。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(ti) （圖中黑色三角形圈出的地區）

液態水體(ti) 導致了南極冰蓋移動嗎

火星距離地球最遠達4億(yi) 公裏，是太陽係中與(yu) 地球最為(wei) 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(yu) 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(ti) 中，含有高濃度的高氯酸鹽。鹽水可以與(yu) 基底的泥沙混合形成汙泥，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(hui) 有生命嗎？我們(men) 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。

這次發現的液態水體(ti) 很大，寬20千米，相當於(yu) 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，有望獲得高分辨率的雷達探測數據，有可能探測到更小麵積的液態水體(ti) 。

與(yu) 地球上的冰蓋一樣，火星極地冰蓋也是經曆了數千萬(wan) 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。這次在冰蓋下麵找到液態水體(ti) ，對將來利用冰蓋解讀火星氣候變化曆史十分關(guan) 鍵。由於(yu) 冰蓋底部水的摩擦力降低，將使水的流速增加，從(cong) 而導致冰蓋移動。火星冰蓋的移動到底是什麽(me) 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(yu) 未來的探測任務來回答。

對於(yu) 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(ge) 打算嗎？

延伸閱讀：火星找水全記錄

進入航天時代以來，美國人毫無疑問是火星探測的寵兒(er) 。他們(men) 不僅(jin) 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年著陸火星表麵的“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、著陸在火星表麵的著陸器、巡視探測的火星車，開展了高分辨率的地形地貌成像，並運用了雷達探測、光譜、質譜和中子分析等多方麵探測手段，獲得了流水侵蝕、河流衝(chong) 擊扇和三角洲等地貌特征，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係列證據，證明火星表麵曾經有過大規模的水體(ti) 活動，暗示火星曾經有過適宜生命繁衍的環境特征，並可能發育過生命。

2001年，奧德賽號發現水流痕跡：奧德賽號的全稱是2001火星奧德賽探測器（2001 Mars Odyssey），於(yu) 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(yi) 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(yu) 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，尋找火星表麵水與(yu) 火山活動的痕跡。

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(yu) 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(ge) 月火星探險，到2013年8月已離開地球10周年。勇氣號於(yu) 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(feng) 富的粘土礦物。粘土礦物是水與(yu) 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(wei) “埃斯佩朗斯6號”的岩石表麵覆蓋著塵埃和雜質，機遇號一共嚐試了7次，才磨掉表層物質，進而分析石塊內(nei) 部的物質組成。這塊岩石中的粘土礦物富含鋁，非常類似於(yu) 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(yu) 火星曆史最初的10億(yi) 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(ti) 活動。但是，這些水體(ti) 大多是酸性的，而生命的進化和繁衍需要一個(ge) 中性的環境，在酸性環境中很難通過化學反應轉化為(wei) 生命。此次，機遇號發現可飲用的中性水，成為(wei) 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：如今的火星表麵類似於(yu) 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(liang) 度存在海洋。大約40億(yi) 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麵，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(yu) 地下。另一次火星海洋則出現在30億(yi) 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(ti) 後來到哪裏去了呢？

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(yu) 此前任務發現的火星海岸線以內(nei) 。這說明火星幹涸的北部平原在數十億(yi) 年前可能是一片汪洋，如今的紅色行星可能曾經是一個(ge) 藍色星球。

火星的北部平原在數十億(yi) 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(yu) 火星的古海岸線以內(nei) （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麵發現了季節性坡紋，這是一種顏色較暗（即反射率較低）的狹長條紋，在火星表麵相當活躍。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(hui) 消失不見。即一般從(cong) 春季開始出現，在整個(ge) 夏季變得越來越明顯，到秋冬季節逐漸消失。由於(yu) 季節性坡紋的光譜與(yu) 水合鹽類物質的光譜具有相同的吸收特征，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(yu) 零攝氏度的低溫下，火星上仍然存在富含高氯酸鹽的鹵水，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采集和分析火星土壤樣本，進行了5個(ge) 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(ge) 高溫爐和質譜儀(yi) 的結合體(ti) ——熱量和揮發氣體(ti) 分析儀(yi) ，用來分析火星土壤樣品。機械臂於(yu) 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(yi) 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(yi) 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(hui) 蒸發成氣體(ti) ，通過惰性載體(ti) 送到質譜儀(yi) ，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(yu) 2012年8月6日登陸火星。好奇號耗資26億(yi) 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(ti) 積是他們(men) 的2倍，大致相當於(yu) 一輛SUV汽車。

好奇號搭載了11種不同的科學儀(yi) 器，是人類有史以來製造的體(ti) 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(nei) 中心山脈的山腳下，科學使命是探索火星在曆史上或如今的環境下是否適宜生命生存，為(wei) 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(nei) 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(yu) 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(men) 是被水流長期衝(chong) 刷、磨蝕而成的。若要衝(chong) 刷形成這種尺寸的光滑鵝卵石，河流的水速應該為(wei) 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(ge) 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(yi) 年前那裏曾經是一個(ge) 至少存在了數萬(wan) 年的湖泊，湖泊長約50千米，寬約5千米。湖泊遺跡所在區域被命名為(wei) “黃刀灣”。

科學家分析了從(cong) 黃刀灣兩(liang) 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(ge) 淡水湖。而當時火星上的其它地區要麽(me) 已經幹涸，要麽(me) 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(guan) 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(yang) 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(nei) 的位置

好奇號火星車上的桅杆相機拍攝的照片顯示，蓋爾坑裏的Glenlg區域分布著一係列沉積岩，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(liang) 點進行了鑽孔取樣。

黃刀灣的水體(ti) 平靜，水質中性，擁有豐(feng) 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(ge) 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(wei) 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，有機碳在火星表麵的保存時間有限。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(wan) 年左右。下一步，好奇號將尋找化學條件更利於(yu) 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(zhuan) 家解讀：NASA如何發現火星液態水？https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=50811&do=blog&id=924274

未來一百年，我們(men) 能到哪裏？https：//v.qq.com/x/cover/kt5weusfq7qlehr/a0346c3in5c.html

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