火星快车号（Mars Express）
找水，是为了寻找生命
2018年7月27日，恰逢火星大冲，火星与地球之间的距离达到最近，是从地球上观测火星和发射火星探测器的绝佳时机。正当全球关注火星的时候，《科学》本周抛出火星研究的新发现——火星南极冰盖下发现20公里宽的液态水体。
没有水，就没有生命。科学家一直在太阳系其他行星上寻找液态水，目的就是寻找外星生命。
航天时代以来，人类对火星进行了45次探测，积累了大量的探测资料。火星，已经成为人类除地球以外了解最为透彻的行星。火星探测器获得高分辨率图像，可以分辨出直径30厘米以上的物体。根据这些资料，科学家发现，火星上有大量干涸的河谷和湖泊，这些地貌证明，火星在历史上一定有过大量的江、河、湖、海。他们甚至在一条干涸的小溪中发现了很多鹅卵石，据此推测出当时溪流的深度和流速。
历史上即便有再多的水，也不如现在去发现有没有水。于是，科学家发现了火星大气层中含有少量水汽，而地表也发现了一些水冰。
冰再多，也不能繁衍生命，我们更希望能够发现液态水。于是，科学家在凤凰号着陆器的着陆腿上，观察到了冷凝的水滴——露珠。火星夏季的赤道地区，在一些斜坡上，发现了一些奇怪的暗色条纹，可能是融化的液态水，但只是季节性出现，这还不够。
地球的南北极有冰盖，火星上南北极也有冰盖。30多年前，就有科学家提出假设，认为火星极地冰盖下面可能存在液态水体，但一直没有得到证实。
要有生命，就要有稳定的液态水体，但火星上一直没有发现。
本周的《科学》杂志，发表了意大利科学家Orosei领衔的团队的最新研究成果。他们分析了火星快车号探测器的雷达数据，发现火星南极的冰盖下1.5公里深处，有一个巨大而稳定的液态水体。
图1 火星南极的冰盖下1.5公里深处（黑色正方形区域），有一个巨大而稳定的液态水体。
极冷的天气，仍可能存在液态水体
地球上的南极，尽管年平均气温在零下60°C左右，但在冰层之下仍然有湖。
冰盖可以起到隔热保温作用，使湖水与寒冷的地表隔绝。地球南极的冰盖厚度达4.8公里，冰层的压力可以降低水的冰点，冰盖底部的温度可以允许液态水体存在。
南极冰盖下面的液态水体，就是用雷达波探测到的。雷达主动发射电磁波，并接收反射的回波。不同频率的电磁波具有不同的穿透能力，频率越低，穿透的深度越大。当电磁波通过冰层向下传输时，它们会在不同物质之间的界面反射回波，如冰层与基岩、含水的泥沙、液态水体之间的界面，都会反射回波。雷达沿着飞行轨道前进，不断地进行测量，获得地下的图像。因此，雷达是探测地下物体的重要手段
现在，这种在地球南极证明有效的探测手段，被Orosei等应用到了火星上。由欧洲空间局主导的火星快车号探测器，在火星上空已经环绕飞行了12年，上面正好搭载了一台低频探测雷达。科学家们收集了2012年5月至2015年12月期间3年多的雷达探测数据，识别出一个20公里宽的异常明亮的反射体，而且在多个飞行剖面都存在。他们排除了许多可能的解释，最后认为，这个反射体唯一的可能，是液态水体或含水的饱和泥沙沉积。
新发现的液态水体位于火星南极，中心位于东经193°，南纬81°附近。通过定量分析雷达信号发现，该特征的相对介电常数大于15，远远大于岩石和冰层的介电常数，而与含液态水物质的介电常数相当。
火星南极比地球上的南极洲更寒冷。火星南极冰盖底部的温度约为零下68°C左右，因此，1.5公里厚的冰盖下，是不可能存在纯净的液体水体的。但是，含盐的液态水体仍然可以存在。
也就是说，这次发现的液态水体是一个盐湖，像前几次发现的液态水一样，仍然是卤水。这是因为，如果在水中溶解了大量的盐，水的冰点就会低得多。在地球上就发现了这样的盐水湖，在南极麦克默多干燥的山谷中，水的盐度为200。在那里，零下13°C，水仍然没有结冰，仍然保持液态。相比之下，海水的盐度介于32和37之间，零下2°C时就会结冰。
在火星表面，科学家此前已经发现了钠盐、镁盐、钙盐，水中如果含有这些盐类物质，可以将水的冰点降低到零下74°C。当位于冰盖底部时，由于盐类的存在，液态水体可以稳定存在。
天啊，零下74°C都不会结冰的水，该是多么浓的卤水啊。此前，凤凰号着陆腿上的露珠，以及斜坡上季节性冻融的液态水，都证明水中含有盐类。
图2 雷达回波探测到的液态水体（图中黑色三角形圈出的地区）
液态水体导致了南极冰盖移动吗
科学家推测，火星南极冰盖下稳定的液态水体中，含有高浓度的高氯酸盐。盐水可以与基底的泥沙混合形成污泥，或在基岩上形成局部的盐水池。这样高浓度的盐水中，可能会有生命吗？我们仍然不得而知。根据我在青海看到的大量盐湖推断，这些盐湖中，显然不可能有鱼这样的大型生物，但一些耐盐碱的微生物仍然是可能的。
这次发现的液态水体很大，宽20千米，相当于中蒙边境的贝尔湖的大小。长白山天池宽才3.37千米，显然要比天池大好几倍。随着中国、美国等国家开展新一轮的火星探测任务，有望获得高分辨率的雷达探测数据，有可能探测到更小面积的液态水体。
与地球上的冰盖一样，火星极地冰盖也是经历了数千万年才累积起来的。冰盖的生长和收缩，记录了火星的气候变化历史。这次在冰盖下面找到液态水体，对将来利用冰盖解读火星气候变化历史十分关键。由于冰盖底部水的摩擦力降低，将使水的流速增加，从而导致冰盖移动。火星冰盖的移动到底是什么原因导致的，是冰层的变形，还是冰盖根本就没有移动？这一问题有待于未来的探测任务来回答。
对于那些质疑将来火星移民可能性的人，我想强调一下，目前至少可以明确的是，火星上并不缺水。
很可能，人类移民火星不是梦。你，有这个打算吗？
（作者郑永春，系中国科学院国家天文台研究人员）
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