郑永春¹,赵伟方^1,2

1. 中国科学院国家天文台,北京100101

2. 北京航空航天大学,北京100191

摘  要  火星上是否有水以及水的储藏位置和规模,不仅是一个科学问题,更与未来载人登陆火星和火星移民密切相关。作为太阳系中与地球最为相似的行星,火星表面同样覆盖了厚厚的沉积物,但这些沉积物之下究竟有什么,对人类来说一直是个谜。近期,科学家发现,火星中纬度地区的地下储藏着大量纯净的水冰。本文评论火星地下冰川这一发现的意义,讨论了科学家究竟发现了什么、如何证明观测到的物质确实是地下冰层、这些冰层是如何形成的、冰层所记录的历史等相关问题,并展望了未来火星探测中如何利用这些水冰资源。

关键词  断崖;水冰;地下冰层;光谱分析

    1 火星发现水的历程

    2018年1月12日,Dundas C M等在《Science》文章称,科学家在火星上探测到8条发生侵蚀的断崖,从中发现了巨量的水冰资源[1]。这些水冰的纯度非常高,冰层厚度从地下1~2 m深处,一直延伸到地下100多米不等。由于断崖上的水冰长期暴露在大气中,因此正在慢慢升华,进而导致断崖不断收缩。

    火星上有水早已不是新闻。人类已经开展了40多次火星探测,获得了大量与水有关的发现,包括:冲沟、三角洲、冲积扇等流水作用的遗迹(图1);被水浸泡过的岩石;火星快车发现了火星上的海岸线;好奇号发现了含有粘土矿物的沉积岩层,还发现了水流冲击形成的鹅卵石。这些发现证实,火星上曾经有过大规模的水。

    但是,火星上的水究竟储藏在什么地方,储量有多少,特别是地下冰层一直没有得到确认。2008年,凤凰号着陆器在火星68°N附近,挖到了高纯度的水冰,但凤凰号的着陆点位于较高纬度,温度较低,发现水冰属于意料之中[2]。接下来,科学家希望知道,在比这更低纬度的中纬度地区,是否也有水冰。2009年,科学家终于在40°N~55°N的新鲜撞击坑周围,发现了含有水冰的溅射物[3]。2015年,Lujendra Ojha等发现,在火星表面的某些特定位置,可能至今仍有液态水[4]。发现液态水的区域,位于火星上的“季节性坡纹”,即山坡上的纹路随季节更替而出现显著变化的地方。当气温上升时,季节性坡纹开始形成并发育壮大;而当气温下降、天气寒冷时,这些坡纹又会消失不见。

    2 火星地下冰层如何确证

    此次利用火星勘察轨道器(MRO)探测到的数据,在8条断崖上,分析出了地下冰层的垂直剖面结构,包括分层情况、厚度以及水冰的纯度。火星勘察轨道器上,搭载了一台高分辨率成像科学实验相机(HiRISE),配备0.5 m孔径镜头,是有史以来最强悍深空探测成像设备,最高分辨率可达到每像素0.3 m,相当于可观测到篮球大小的物体。HiRISE拍摄的高分辨率图像显示,这些地下冰层均位于面向极地、非常陡峭、具有水流侵蚀地特征的断崖上(图2[1])。其中,断崖1~7位于55°S~58°S,断崖8位于54.8°N的Milankovič(米兰科维奇)火山口的断崖群。

      在增强后的HiRISE彩色图像(图3[1])中,相对周围地形,每条断崖的颜色都偏蓝,与冰层的表现一致,表明断崖上暴露的物质中含有水冰。

    为了进一步确证地下冰层,除了图像所能显示的特征之外,还需要确认断崖中的层状物质是否是水冰。火星勘察轨道器上还搭载了一台紧凑型火星勘测成像光谱仪(CRISM),主要用于探测和识别火星表面矿物类型。CRISM 的光谱范围从可见光波段(400~830nm)到近红外波段(830~4050 nm),空间分辨率为每像元15.7~19.7 m。利用CRISM探测数据,为确证地下冰层提供了数据支持。光谱特征表明,断崖1~3在夏季的光谱数据均表现出水冰吸收的特征(图4[1])。根据断崖位置的光谱数据,表明这些地区暴露的蓝色物质是冰层,而非持续性的季节性霜冻。

    原因在于,首先,在所有HiRISE图像中,地下冰层位置的颜色与断崖周围地区截然不同。在高纬度地区面向极地的陡峭坡面,存在一些季节性霜冻,但地下冰层位置的颜色,与季节性霜冻升华之后的观测图像,具有明显差异。其次,根据火星奥德赛号轨道器上的热辐射成像系统(THEMIS)的观测,断崖位置在傍晚的温度高于大气的冰点温度,可以排除断崖上的物质是大气挥发物沉降形成的。最后,在断崖下的凹陷地形中,并没有出现蓝色物质,说明这些蓝色物质并不是由于当地地形而形成的霜。

    3 地下冰层如何形成

    在断崖2,科学家对比了同一地点相隔3个火星年的图像后发现:大小约为1 m的石块,其位置发生了显著变化,这是断崖退缩的有力证据(图5[1])。由于这些石块起源于冰层上的凸出表面,在坠落后并没有消失,因此,它们必定是嵌入到冰层中的岩石,而不是从陡峭岩石中脱落出来的碎片,也不像之前从撞击坑中溅射出来的冰块。这说明,石块位置的变动,是由于水冰升华所引起地形变化导致的。据估算,断崖上的地下冰层在每个夏季的退缩率约为几毫米。

    4 结论

    在火星地下1~2 m的深度,就可找到纯度非常高的水冰,厚度至少可达数十米。火星上发现的这些地下冰层保存良好,不仅记录了火星过去的演化历史,也为人类登陆火星提供了基本的生命支撑物质。

    火星上被侵蚀的断崖地层结构(图6),揭示了中纬度地区距今最近的、富含冰层的垂直地质结构。断崖上的冰层可能起源于火星高倾角时期的降雪,后来经过一系列的地质过程,转变为如今的地下冰层。这些冰层最终保存在南北纬55°以上的表面风化层之下,或地下1~2 m处冷冻干燥的尘土之下。下一步,利用浅层穿透雷达进行探测,可以推测这些冰层的垂直结构。

    火星断崖上发现的这些地下冰层,是在相当长的地质时期内沉积起来的,记录了过去的火星气候变化和水冰沉积的历史。之前的火星探测任务已经证明,火星曾经有过大规模的液态水,有过比现在更为温暖湿润的气候,这说明火星历史上曾经有比现在浓厚得多的二氧化碳大气层,这样才能实现火星表面有大规模液态水所要求的温室效应。但是,火星大气中巨量的二氧化碳来自哪里,后来又到哪里去了?火星上大规模的液态水又源自何处,消失后的液态水又去哪儿了?这些疑问,都要从地下冰层等历史沉积物中寻找蛛丝马迹。而探索火星气候演化规律的努力,也将为了解地球气候变化提供参考。

    在太阳系内,火星是人类了解最为透彻的行星,也是唯一有可能实现大规模移民的星球。根据航天科技的发展现状和各国规划,预计2030年左右,人类将实现载人登陆火星的梦想。之后,将朝着建设火星基地、改造火星、移民火星的路径逐步前行。火箭重复利用技术已经突破,新一代重型运载火箭、新一代载人飞船已经研制多年,即将成功,这些努力将使“开辟从地球到火星的廉价航线”成为可能。人类登陆火星时,将选择在离水源较近的“宜居带”,挖掘地下浅层的水冰,对它进行净化等简单处理后,变成可以直接利用的水资源。这些水源,使就地烧砖、生产辐射防护材料等火星资源原位利用成为可能,使在火星上生产食物、氧气等生命支撑物质变得更容易,从而大大降低建设火星基地的技术难度和经费代价。在中国,北京航空航天大学开展的“月宫一号”已经开展多轮试验,闭合度达到了97%,100%的氧气和水、55%的食物实现了循环再生[6],为中国参与国际合作将来实现载人登月和登陆火星奠定基础。

    人类希望移民火星(图7),并不是因为火星比地球更美好,而是因为地球上的生命曾经多次大灭绝,人类未来也将面临许多重大天文灾难。移民火星,是人类为了在太阳系中永续生存所必需付出的努力。

    参考文献(略)