[科普中國]-液態(tài)水湖！移民火星真有希望了

原本要等到明天（27日），火星才會“火”——火星將迎來天文學(xué)上謂之“大沖”的現(xiàn)象，是自2003年以來距離地球最近的一次。這既為天文愛好者近距離觀測火星提供了時機，也為科學(xué)家們發(fā)射火星探測器提供了絕佳的機遇。不過，火星大沖的討論還未沸騰，昨日晚的一條新消息率先引爆了火星的熱度。

北京時間7月25日晚間，由意大利科學(xué)家Roberto Orosei領(lǐng)銜的歐空局團隊宣布，在火星的南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)了一個寬20公里的地下大湖。這是人類首次確定火星上存在液態(tài)水。美國《科學(xué)》雜志發(fā)布了歐洲火星快車號（Mars Express）衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的文章。文章稱，科學(xué)家利用搭載在火星快車上的雷達(dá)接收到的反射信號，探測到了這一湖泊。這一重大發(fā)現(xiàn)讓火星一舉搶占了昨晚各大新聞客戶端的新聞彈窗。

圖1：發(fā)表文章截圖（圖片來源：Science)

在過去的五十多年中，人類為在火星上尋找液態(tài)水投入了巨大的精力。全世界的科學(xué)家們先后發(fā)射了20多個火星探測器，至今仍有6顆衛(wèi)星在軌工作，2輛火星車在地實勘，還有一個探測器正在飛往火星的途中。為什么確認(rèn)火星的液態(tài)水存在這么難？火星上液態(tài)水的存在對我們究竟有何意義？這一次科學(xué)家們又是如何實現(xiàn)這一突破的呢？

火星之水 緣何重要

在太陽系之中，和地球最為相似的一個星球莫屬火星。它的轉(zhuǎn)軸相對于它的運行平面的傾角幾乎和地球完全一樣，所以火星上也有著類似于地球的四季劃分。不過因為它距離太陽系中心較遠(yuǎn)，且表面大氣更為稀薄，所以火星表面平均溫度更低，在零下30度左右。

火星也同樣處于太陽系中的生命宜居帶中，盡管更靠近外側(cè)邊緣。根據(jù)天文學(xué)家對于生命宜居帶的定義，火星上應(yīng)該是有液態(tài)水存在的，也有可能存在著生命跡象。自從19世紀(jì)末科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了火星上一些疑似運河的跡象之后，關(guān)于火星人的傳聞便不絕于耳。在上世紀(jì)30年代，美國甚至有個電臺說火星人從新澤西入侵，準(zhǔn)備進(jìn)軍華盛頓，這一消息引發(fā)的恐慌波及了上百萬人?；鹦侨穗m然是假，但火星上到底有沒有生命、去哪里尋找火星生命，一直是天文學(xué)家和普通大眾都非常關(guān)心的一個問題。

基于人類對于地球生命的理解，水是生命誕生極為重要的一個條件。對地球生物演化的研究告訴我們，地球上最早的生命形態(tài)就誕生于水里。所以要想研究生命的起源以及火星上是否有生命存在，尋找液態(tài)水是一個極為關(guān)鍵的一步。除此之外，在火星上尋找液態(tài)水還有另外一個重要動機——很多證據(jù)表明，很久之前，火星上應(yīng)該存在著大量的水，但是隨著大氣丟失，火星溫度變低，水逐漸的消失掉了。一部分水散失到了太空中，那么除了火星兩極的冰冠和掩埋在地下的冰之外，其它的水都存在于什么地方？科學(xué)家長久以來都在苦苦尋找著這一問題的答案。

在發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的消息傳來之前，半個多世紀(jì)的火星探索也為我們解開了些許謎題，在剛剛過去的幾年里取得了一些突破性進(jìn)展。比如，2015年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了液態(tài)氯水在火星表面存在的證據(jù)。眾所周知，火星表面平均溫度很低，液態(tài)水幾乎不可能存在，所以要想在表面存在，肯定不是普通的液態(tài)水，那一次發(fā)現(xiàn)的水正是因為是溶解了化學(xué)元素，其結(jié)冰點才顯著降低了。今年年初，科學(xué)家們又在火星中緯度地區(qū)發(fā)現(xiàn)了淺表冰。

這一次，科學(xué)家在火星南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)了一個大湖！液態(tài)水的發(fā)現(xiàn)，從很大程度上解決了科學(xué)家一直以來關(guān)心的“火星水去哪了”的問題，算得上是火星研究史上的一個重大突破、一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)。

這一發(fā)現(xiàn)也使得我們發(fā)現(xiàn)火星生命的希望更為接近了。我們已在地球南極的冰蓋下探測到了生命跡象，如果火星之前有生命的話，那么生命的種子或許也會保留下來。

隨著地球環(huán)境的逐步惡化和地球資源的減少，不少人提出把火星變成人類的第二家園。如果人類未來有一日真的移民火星，包括液態(tài)水在內(nèi)的一些生存條件必須能夠滿足。然而即便有了水，太空移民的日子也還非常遙遠(yuǎn)?；鹦谴髿獾闹饕煞质嵌趸?，大氣非常稀薄，只有地球大氣厚度的百分之一，也是一個非常重要的限制條件。

尋水艱難 何以做到

做出此次重大發(fā)現(xiàn)的設(shè)備，是搭載在歐洲火星快車探測器上的火星地下和電離層探測高級雷達(dá)（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，簡稱為MARSIS）?；鹦强燔囂綔y器發(fā)射于2002年，經(jīng)過約一年半的飛行，最終在2003年12月抵達(dá)火星，開始繞火星運動觀測。到目前為止已成功運行了15年。

圖2：衛(wèi)星示意圖 （ESA）

搭載其上的高級雷達(dá)向兩側(cè)各伸出一個20米的天線，最終相加形成了一個長達(dá)40米的天線。如此長的天線保證了雷達(dá)的靈敏性。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射出去的信號被火星表面反射之后，天線就能很容易地接收到這些反射信號。

在理解這個衛(wèi)星是如何探測到液態(tài)水湖泊之前，我們需要理解兩個方面的物理概念。

首先，電磁信號在同一種介質(zhì)中通常會一直向前傳播，在遇到不同介質(zhì)的分界層時，電磁波信號會發(fā)生反射，雷達(dá)從而通過接收到返回信號的時間差來判斷厚度。

那么我們?nèi)绾闻袛嗍悄囊环N介質(zhì)或物質(zhì)呢？這就涉及到一個叫做介電常數(shù)的物理概念。對于同一種物質(zhì)而言，不同的電磁波或光子在其中的傳播速度也有不同，材質(zhì)會對不同頻率的光子的傳播速度產(chǎn)生影響。如果能夠測量到不同頻率光子的到達(dá)時間差，我們就可以對特定物質(zhì)的介電常數(shù)做出限制。每種物質(zhì)的介電常數(shù)不同，我們從而可以將不同的物質(zhì)區(qū)分開來。比如說，真空的介電常數(shù)值為1，冰的數(shù)值在3-4之間，純凈水的介電常數(shù)約為80，這次探測到的冰層之下物質(zhì)的介質(zhì)值大于15，在排除了其它都可能性之后，被確定為很可能是水態(tài)湖泊。

圖3：探測原理圖（ESA）

搭載在衛(wèi)星上的雷達(dá)能夠發(fā)射3個不同頻率的電磁波（3MHz, 4 MHz, 5MHz），通過接收不同頻率電磁波的到達(dá)時間并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，科學(xué)家們推斷出，在火星南極冰層之下1.5公里處存在著一個巨大的液態(tài)水湖泊。

此次探測發(fā)現(xiàn)還面臨著一個很重要的問題——水的成分構(gòu)成——這個大湖中的水，是純凈水還是類似于之前的氯水？根據(jù)測量結(jié)果，火星南極的溫度低至零下70度，如是液態(tài)水，便肯定不是純水，也是類似于之前發(fā)現(xiàn)的、溶解了某些化學(xué)元素的水。據(jù)科學(xué)家估計，水中很可能含有一種叫做高氯酸鹽的成分。這種鹽在火星上很常見，在火星的其它許多地方也有發(fā)現(xiàn)，它的存在極大地降低了水的冰點。

無論如何，液態(tài)水湖泊的發(fā)現(xiàn)僅僅是火星研究進(jìn)展中的重要一步，除此之外還有好多的未解之謎，如同宇宙的其它之謎一樣，等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

附：地球火星特征對比：

圖片來源：NASA

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