火星上的水都藏在哪儿

文/丁 一

 

火星作为一颗与地球极为相似的星球,上面是否有水一直是公众关注的焦点。水是生命之源,如果火星上有水,就意味着又多了一分寻找到火星生命的希望。近年来,不断有报道称在火星上发现了水。网络上与此有关的信息更是层出不穷。人们不禁要问,此类报道是否真有其新闻价值?科学家每次发现的果真是水吗?
多种形态
水有三种形态:固态、液态、气态。在地球上水无处不在,你能轻松观测到其留下的痕迹。比如,水蒸气遇冷形成的云朵,雨水冲刷出的一条条沟壑,冰川侵蚀而成的山谷,山顶覆盖的皑皑白雪,等等。
土壤和岩石中也有水的踪迹:液态水从裂缝和孔隙中流过,暴露于空气中的孔隙内饱含水蒸气,严寒地区的地下冻土带,等等。
水还能以水分子或羟基(—OH)的形式被矿物所吸收。此类矿物被称为水合矿物。常见的例子有石膏和高岭土,前者是一种硫酸钙水合物,后者是一种黏土水合物。水合矿物中的水不同于存在于土壤与岩石中的水,它是矿物晶体结构的重要组成部分,如果将其去除,矿物结构发生改变就成了完全不同的另一种矿物。比如,当石膏脱水后就成了被称为硬石膏的硫酸钙。
科学家相信,以上各种形式的水同样可能存在于火星,而这也成为他们在火星上搜寻水的依据。

河道遍布
1964年美国的“水手”4号火星探测器发回了首批火星表面图片。探测器飞越了数个曾被认为存在河道的地方,结果却一无所获。事实上,“水手”4号在火星上根本没有发现任何水的踪影,它向人们展示的是一个布满撞击坑的火星表面。“水手”4号给出的最早的火星地质报告称,火星上根本没有类似地球上那样的海洋存在。人们对火星的看法也由此发生了180度的大逆转:从满怀期待到沮丧地意识到火星或许更像月球,只是一片坑洼的荒漠之地。
之后的“水手”6号和“水手”7号探测器传回的图片虽然展示了更多独特的火星地貌,但它们仍没能捕获到火星上存在河道的证据。直到1971年“水手”9号探测器进入环绕火星轨道运行,人们对这颗火红星球的认识才有了革命性的变化。
“水手”9号第一次拍摄到了“水手号峡谷”——一处巨大的火星峡谷,及其周围粗壮的外流河道的照片。这种地貌可能由洪流冲刷形成,其规模之大是地球上前所未见的。此外,“水手”9号还拍摄到一些可能由雨雪侵蚀而成的规模较小的古老山谷的照片。
1976年到1980年间发射的“海盗”号系列轨道飞行器发现了火星表面更多的河道与山谷,以及古老的海岸线遗迹。1997年“火星探路者”号选择在火星一处巨大外流河道的入口处附近着陆。在那里,它发现了一些可能是被洪流冲刷搬运至此的圆形岩石。
从1997年到2006年,“火星环球探测者”号再次刷新了人们对于火星的认知。其搭载的火星轨道摄像机拍摄到了在数十万年到数万年间由水流冲刷形成的小河道。从地质学角度来说,这几乎就是昨天发生的事。摄像机还首次找到了火星表面曾存在持续性水流的证据:一处环形山附近出现了因水流交汇而形成的三角洲。

岩石中的水
火星岩石的组成成分不仅为水的存在提供了证据,而且表明火星是一颗比人们原本认为的还要湿润的星球。
地球上发现的火星陨石中可检测出水合矿物的成分。通过光谱分析也可观测到火星上存在此类矿物。“火星环球探测者”号搭载的热辐射光谱仪,在火星一处平原上发现了结晶状的赤铁矿(化学成分为氧化铁)。
由于赤铁矿通常形成于潮湿的环境中,因此“机遇”号火星车将此处选为着陆点,以做进一步探测。2004年“机遇”号抵达火星后,不仅找到了赤铁矿,还发现了该地区古代有水存在的更多证据。
在一处环形山,“机遇”号发现了富含硫酸盐的沙石,沙石呈纵横交错状分布,表明其可能是被流水运送至此。它还观测到由地下水和沙石相互作用形成的赤铁矿凝结物。在另一处环形山,“机遇”号看到了更多形成于湖泊环境下的沙石。
这些富含硫酸盐的沙石开始可能是湖泊底下的淤泥,随着湖水的蒸发最终逐渐硬化为沙石。沿着环形山的边缘,“机遇”号发现了特别的矿物组合,表明该地区远古时期曾长期存在水热环境。这一发现令人激动,因为水热环境极利于微生物的生长。
“机遇”号的伙伴——“勇气”号火星探测器选择的着陆点是一处被一大型山谷分为南北两部分的环形山。科学家曾据地貌推测,古代此处曾有一片湖泊。2003年“勇气”号登陆后并没有找到湖泊的踪迹,倒是发现了大量火山物质——也许湖泊早就被火山喷发出的熔岩流掩埋了。
不过,当“勇气”号进入附近的两处丘陵地带时,发现了水合硫酸盐和蛋白石(非晶质的二氧化硅水合物)。这两种矿物的现身表明这里曾有过水热活动,它们可能是温暖的水流经过山体岩石后的产物。这不仅是火星曾存在宜居环境的证据,而且二氧化硅是极佳的保存微生物痕迹的材料。因此科学家计划未来深入探索相关区域,取回矿石样本做进一步的分析。
2006年美国国家航空航天局的火星勘测轨道飞行器抵达火星。它搭载的集成型火星勘测成像光谱仪,在可见光和红外线波段对火星表面进行了探测。由于许多矿物的晶体结构中的水分子对这两种波长的光有强烈的吸收性,因此它们尤为适合用于寻找水合矿物。光谱仪的扫描结果显示,在火星表面遍布含水的黏土、硫酸盐以及碳酸盐。
出现水合矿物的地区,其地质结构透露出水流在此地的形成过程。比如“好奇”号火星车登陆点附近有一座沉积岩层叠而成的山峰。光谱分析显示,山峰最底部的沉积岩内有水合硫酸盐层和含水黏土层,这表明沉积岩曾与水发生过相互作用。由于水的成分随时间的流逝发生了变化,因而在酸碱度不同的水环境下分别形成了黏土层和硫酸盐层。有人据此推测,山峰底部区域过去可能是一片湖泊。此外,山峰所在的环形山,其山体上也遍布着许多似乎由流水侵蚀而成的小山谷。
“好奇”号火星车的登陆点位于环形山一处山谷的扇形区域。这里实际上是一个由流经山谷的水流冲积而成的扇形堆积体。在接下来的旅程中,“好奇”号发现了更多地质证据,表明38亿~33亿年前在这片环形山区域内曾有过湖泊和溪流,是一处可供生命栖息的港湾。

冰冻的水
目前火星表面最大的储水区是北极冰帽带。早在17世纪,人们就通过望远镜观测到了火星南北两极的冰帽带及其季节性的膨胀与收缩。这种伸缩变化是由从深秋到整个冬季火星表面形成的霜冻层引起的。
与终年不化的永久性冰帽不同,火星表面的这种霜冻层被称为季节性冰帽。根据“水手”6号和“水手”7号对火星南极季节性冰帽的观测,科学家曾推断,霜冻层的主要成分可能是水冰,但更可能是固态的二氧化碳,也就是干冰。结果显示两种说法都对:火星表面的霜冻层由水冰和干冰组成,以干冰为主。春季,当温度开始上升,霜冻层发生升华,越过液态直接从固态变为气态,并由此形成一种呈蜘蛛状条纹的火星地貌。
另一些地貌特征也暗示火星表面以下存在水。“海盗”号轨道飞行器曾拍摄到火星北部平原上巨大的龟裂状地貌。在地球上,龟裂状地貌的形成多与地下冰层的结冻解冻活动有关。而光谱探测显示,火星上许多有这种地貌特征的区域,氢分子的浓度特别高。氢分子通常不单独存在于岩石中,在行星表面发现氢分子往往预示着水冰的存在。
1997年,“凤凰”号火星探测器曾在北部平原一处有龟裂状地貌的区域展开勘测活动。在其驻扎地附近,“凤凰”号用机械臂挖了一些沟渠,每条沟渠内都发现了冻土层。在一些沟渠中,大块近乎纯净的水冰就藏身在浅浅的土层下。
利用新形成的撞击坑探测地下水冰也是一条捷径。2008年,美国国家航空航天局的火星勘测轨道飞行器在高纬度地区观测到一些新形成的撞击坑,并发现其中有发光的蓝色物质。进一步的勘探确认这是几乎纯净的水冰。与“凤凰”号驻地附近发现的水冰一样,其也被掩埋在浅浅的土层下。
透地雷达也曾发现过火星上被掩埋的水冰。“海盗”号轨道飞行器曾拍摄到火星中纬度地区存在与地球流动冰川类似的地貌。经雷达分析确认这类地貌是由掩埋于浅表处近乎纯净的水冰形成的。相关雷达仪器还发现了两处位于火星北部平原数十米到数米土壤层下的水冰沉积,其容积都与地球上最大的淡水湖相当。

夏雨冬雪
目前为止人们尚未在火星上直接观测到流动的液态水,但一些地貌特点仍揭示出其活动的蛛丝马迹。
比如,火星勘探轨道飞行器发现火星上存在一种季节性斜坡条纹。这些暗色条纹在温暖的季节形成于斜坡上,在较短时间内逐渐变长,然后在冬季褪去。其形状和发育过程暗示可能有液态水参与其中。
光谱分析显示,产生条纹的斜坡含有高氯酸盐,高氯酸盐就像一种防冻剂,可降低水的凝固点,从而使液态水能在严苛的火星环境下保持稳定状态。在“凤凰”号火星探测器的登陆架上曾发现盐水滴,可能就来自其着陆时带起的火星土壤中所含的高氯酸盐。盐类可吸收大气中的水蒸气形成盐水。这种潮解机制或许是季节性斜坡条纹的成因。
早在19世纪,天文学家就通过光谱分析确认火星大气层中存在水蒸气。“海盗”号发现,火星大气层中的云团的主要成分为水冰,与地球上的卷云类似。对火星气候的长期观测使人们对火星云团有了更多的认识。它们往往形成于地形障碍的上方,比如大型山峰的山顶处。在火星北半球的夏季,由于北极冰帽发生升华,大气层中充满水蒸气,会在赤道附近形成一条明显的云团带。“凤凰”号曾观测到火星云团洒下的冰晶,不过在落到火星表面以前就在干燥的大气层中升华掉了。这也是人们首次掌握火星上存在降雪的证据。
火星从一个充满雨水、河流的世界逐渐演变成了如今遍布冰霜的荒漠之地。对这颗星球的了解越深入,就越能发现更多有水存在的证据。这一点非常重要,因为在地球上,有水的地方就有生命。火星上可能也不会例外。

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