說起地球的南極和北極，大家的腦海中立刻就會(hui) 浮現冰天雪地、白雪皚皚的畫麵。那麽(me) ，地球的鄰居——火星，也就是鋼鐵俠(xia) 馬斯克口中說要移民的星球，它的南北極又是怎樣的呢？會(hui) 不會(hui) 也是冰天雪地的壯麗(li) 模樣?

地球南北極（圖片來源：NASA）

初見火星兩(liang) 極

17世紀末，荷蘭(lan) 天文學家惠更斯利用自己設計的精密望遠鏡，首次發現火星南北極都擁有一個(ge) 巨大的“白斑”，像是戴著白色的帽子。雖然這位天文大家當時到底看到的是什麽(me) 樣的景象，我們(men) 不得而知，但後來人類通過努力，拍到了紅色星球戴著白色帽子的“證件照”。

地球和火星都戴著白色帽子（圖片來源：NASA）

對比發現，地球和火星都戴著白色帽子。帽子，在古代也稱為(wei) “冠”。我們(men) 中國人給火星兩(liang) 極的“帽子”起了個(ge) 文雅的名字——“極冠”，西方英文則是“Martian polar ice cap”。

近觀火星極冠

我們(men) 可以看到，火星南北兩(liang) 極被厚厚的白色物質所覆蓋，白色物質與(yu) 紅棕色地區有鮮明的對比，還可以觀測到強風和暴風雨的痕跡。這樣的場景，讓我們(men) 不禁聯想到地球南北兩(liang) 極的冰天雪地。有時候，火星上還會(hui) 有白雲(yun) 出現，遮掩火星表麵的地質特征，使人類火星軌道探測器無法拍攝清楚。

火星兩(liang) 極極冠（圖片來源：NASA）

2006年火星北極極冠照片（圖片來源：ESA）

神秘的白色物質

看起來像帽子又像拿鐵上拉花的白色物質到底是什麽(me) ？先人們(men) 尋找答案的腳步從(cong) 未停歇。18世紀末，英國科學家斯托尼就曾設想白色物質是固體(ti) 二氧化碳，即我們(men) 俗稱的“幹冰”。到了20世紀中葉，天文學家柯伊伯使用分光技術觀測，推測白色物質是水冰而不是幹冰。受當時科學技術所限，斯托尼和柯伊伯也隻能停留在猜測的階段。

直到人造探測器對火星進行了多次探測，人類才正式確認極冠中含有85%的二氧化碳幹冰和15%左右的水冰。這是對火星認識的巨大進步，也是對先人科學假想的證據回應。

極冠含有水冰和二氧化碳幹冰（圖片來源：Science）

隨季節變化的火星極冠

火星探測器傳(chuan) 回的照片顯示，火星表麵大部分地區都是砂石林立、塵土飛揚的幹燥荒蕪世界，那麽(me) 兩(liang) 極極冠是如何形成的呢？

依照地球上的生活經驗，看到白雪皚皚、冰天雪地的冰凍世界第一感受當然是“冷”了。作為(wei) 地球“姊妹星”的火星，也像地球一樣，有冬夏輪回。火星與(yu) 太陽的距離比地球遠，表麵平均溫度比地球低，平均溫度約-60℃，兩(liang) 極的溫度甚至更低，這使得火星兩(liang) 極主要由水冰和幹冰組成的物質永久存在。

火星極冠會(hui) 不會(hui) 隨季節而變化？早在20多年前，人類就已經利用哈勃望遠鏡觀測到火星極冠的變化了。地球上有一年四季的變化，火星也一樣，北極極冠在每年火星的夏天會(hui) 蒸發掉約1米的幹冰層，而火星南極的幹冰層厚度約8米，在整個(ge) 夏季來不及全部蒸發。這就導致火星極冠每年都會(hui) 發生變化，與(yu) 地球南北極冰雪變化類似，夏天溫度高的時候，冰雪融化，極冠範圍就會(hui) 縮小，而一到冬季，由於(yu) 氣溫下降，大氣中的二氧化碳開始凝華，極冠範圍隨之變大。水和二氧化碳憑借升華與(yu) 凝結往返於(yu) 極冠與(yu) 大氣之間，構成了現今火星氣候重要的一環。

望遠鏡觀測到的火星北極極冠變化圖（圖片來源：美國亞(ya) 利桑那大學）

極冠不僅(jin) 蘊含液態水湖，還有隕石坑冰湖

不論水冰或是幹冰，難道極冠就隻有固態“冰”嗎？早在2018年，意大利科學家奧羅塞（R.Orosei）團隊就利用“火星快車號”（Mars Express）軌道器上的雷達數據，發現火星南極極冠下麵1.5千米處存在20千米寬的液態水體(ti) 。而就在2020年9月28日，借助該軌道器上新的雷達數據，意大利行星科學家勞洛（S.E. Lauro）團隊最新發現南極烏(wu) 爾蒂馬斷崖群（Ultimi Scopuli）下麵有3個(ge) 液態水體(ti) ，其中最大的水體(ti) 長約20千米×30千米。這是人類火星探索之旅的重大發現——原來火星上不是肉眼看到的幹燥荒蕪！

除了地下層蘊含液態水體(ti) 外，在火星北極地區大奧林匹亞(ya) ·昂達沙丘場的南部，有個(ge) 保持完好的隕石坑——科羅列夫（Korolev）隕石坑。該隕石坑底部位於(yu) 其邊緣下方兩(liang) 公裏處，包圍著一個(ge) 約1.8千米厚的圓頂狀沉積物，是水冰和幹冰的合物。冰上的空氣在冷卻後比周圍的空氣重，因此科羅列夫隕石坑內(nei) 的“冰”永久穩定存在。由於(yu) 空氣是熱的不良導體(ti) ，因此水冰層可以有效地避免被加熱和升華。

隕石坑冰湖（利用數字地形模型和“火星快車號”探測數據合成製作）（圖片來源:ESA）

地球上，水是生命之源，是人類生存的寶藏。

火星上，水冰資源的發現無疑令人欣喜。

人類正派出火星探測器奔向太空、開往火星，期待這些“先鋒們(men) ”挖掘出更多“寶藏”，獲取更多發現！

參考文獻：

[1]《火星科學概論》（2015）

[2]R.Orosei et al., Radar evidence of subglacial liquid water on Mars, Science (2018).

[3]Lauro,S.E., Pettinelli,E., Caprarelli, G.et al. Multiple subglacial water bodies below the south pole of Mars unveiled by new MARSIS data. Nature Astronomy (2020).

[4] Mars' Korolev Crater: A massive reservoir of water ice (astronomy.com/news, Dec 21, 2018)

作者：韓娟娟

單位：中國科學院月球與(yu) 深空探測總體(ti) 部 中國科學院國家空間科學中心

文章首發於(yu) 科學大院，僅(jin) 代表作者觀點，不代表科學大院立場。

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