流水造就火星地表？

火星 · 2016-11-23 02:57:49

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编注：继9月NASA宣布在火星上发现液态水存在证据之后，美国科幻片《火星救援》近日在国内热映，火星探测究竟遭遇哪些难题？本文作者阿尔弗雷德·S·麦克尤恩（Alfred S. McEwen）是美国亚利桑那大学的行星科学教授，也是HiRISE的首席科学家，同时参与土星和月球的探索任务。关于火星地表条纹以及寻找火星生命，一起来听听他怎么说的~　　撰文：阿尔弗雷德·S·麦克尤恩（Alfred S. McEwen）　　翻译：季江徽、田蕾　　火星上目前有水存在的第一个确凿证据出现在2000年。那年6月，美国航空航天局（NASA）公布了一些重要的消息。消息称，“火星环球探测者”号飞船（Mars Global Surveyor，MGS）上的相机在火星表面发现了很多沟壑，可能是由类似地球上的水流冲刷这样的过程形成的。　　当时，一则NASA的新闻稿断言，火星上的沟壑意味着“火星地表或浅层地下可能有液态水流”。这些沟壑通常被认为是由流水或潮湿的砂砾流动造成的，因而引起了许多行星科学家的关注。然而这些沟壑数以万计，有的绵延数千米，分布于火星中纬度区域，暗示了大量未知液体的存在，因为火星大气压不及地球大气压的百分之一，纯水在火星表面会迅速冻结、蒸发或沸腾汽化。　　有些科学家认为，火星沟壑是以前火星经历剧烈的季节性温度涨落遗留的痕迹。不过“火星环球探测者”的最新数据表明，2006年之前的几年，有浅色物质溢出沟壑，这些沟壑还“活着”。就在这些尚且活跃的沟壑激起人们的好奇心之时，一个新的高性能探测器抵达了火星。火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）携带了高分辨率成像科学实验（High-Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）相机，这种相机是目前行星任务使用过的性能最强的相机，因此HiRISE很快就能提供有关这些沟壑产生原因的关键证据。　　当火星勘测轨道飞行器传来的高精度图片解开沟壑产生之谜时，我的一个学生首次发现了火星表面的一个令人费解的特征——火星表面有一些深色的条纹沿着斜坡向下，随季节缓慢地伸缩变化，这说明这些条纹都是液态水流。这些条纹是火星上有水流出现的最有力证据，给我们提供了新的思路，去解释液态水如何存在于这种恶劣环境中。同时这一证据也显示，火星表面仍然可能有适宜生命存在的区域。　　干冰与沟壑　　借助可以观察沟壑和小尺度结构的HiRISE相机，我们用了两个火星年，捕捉到了很多沟壑的动态，这些数据最终揭示了一个令人惊讶的趋势。当二氧化碳霜冻覆盖地面时，沟壑变得活跃——形成新的凹陷、渠道和冲积扇（河流流出山口处那样的扇形堆积体）。　　火星沟壑与地球上的看上去非常相似，所以很多研究人员假设，它们是由相同的过程形成的。然而，我们发现，这些火星沟壑也可以由一种在地球上根本不曾发生过的过程形成。在火星上，二氧化碳通过一种无水的过程导致沟壑的形成，比如干冰升华。这种过程可能会使岩石和土壤像液体一样从高处流下。　　用干冰霜冻过程来解释沟壑的成因可解开很多谜团。我们曾疑惑，为何沟壑会出现在火星南纬30到40度之间面向火星南极的大部分斜坡，以及南纬40度以上面向火星南极的所有陡坡上。事实证明，这种模式符合二氧化碳霜冻的季节性分布。　　神秘的深色条纹　　那时，我开始得出这样的结论：如今大部分火星表面的侵蚀都是由二氧化碳霜冻造成的，而当今关于火星上有水的观点可能是错的。在所有纬度地区，火星表面会随着干燥的环境过程而变化，比如因刮风而变化，但最显著的变化发生在二氧化碳季节性覆盖的地区。　　随后，在2010年的年中，HiRISE的一位研究人员林德拉·奥哈（Lujendra Ojha）发现了一些与众不同的现象。奥哈的发现很令人不解。在拍摄时间较晚的一张图片中，很多颜色较深的细条纹从陡峭的岩石区延伸下来，这些条纹在较早的图片中没有出现。　　我不知道火星表面的这些不规则的深色条纹是怎样形成的，所以我们收集了更多信息。在这些信息中，我们也发现了这种奇怪的条纹，而且每一次我们都发现了相同的现象：深色条纹出现在岩床附近的陡坡上，条纹里看不出有什么明显的地形起伏。出现这些特征的照片都是在夏季拍摄的，拍摄地点都是火星南半球中纬度地区面朝赤道的斜坡上，然而在夏季，二氧化碳并不会引起火星地表变化。　　由高处向下延伸的深色条纹，很自然地让我们这些地球人想到了水或湿润的土壤，但我和同事还是选择了谨慎的态度。　　条纹的成因　　在确定陡坡上出现条纹的原因前，我们需要收集更多证据，以了解它们会在何时何地出现。我们对这些在夏季出现的深色条纹做了以下推测：这些条纹在几周或几个月的时期内会缓慢增多，然后在变冷的季节里渐渐消退，紧接着又在下一个夏季里重新形成。　　我们选取了六个地点集中检测条纹的变化，再抽样调查其他地点。观察结果证实了我们的猜想，于是，我们在2011年8月的《科学》（Science）上发表了我们的发现。在论文中，我们把这些条纹特征称为“季节性斜坡线”（recurring slope lineae，RSL），这是一个纯描述性的名称，完全不含有关这些条纹成因的元素。如果我们称其为“水迹”，就会错误地表示，我们已确定它们的成因了。　　不过我们更确信，在这个新发现的现象中，水也以某种方式参与其中。总的来说，“季节性斜坡线”偏爱特殊的环境：中纬度、南半球的温暖陡坡（南半球夏季比北半球长）。“火星奥德赛”号上的装置测量到，在这些位置，下午的地表温度可达到27℃。　　温度高于0℃是很适合液态水存在的，但如果是在火星上的话，稀薄的空气会使纯水迅速汽化。然而盐水却是和纯水有很大差别的物质。以往对于火星的分析都证实了火星表面有很多盐成分，火星地表或浅层地下流淌的水肯定也含有很高的盐量。　　当盐水冷却时，它要么部分冻结成冰，要么析出部分盐，或两者都有。这时，无论留下的是什么液体，都是所谓的共晶态（eutectic composition），此时的盐浓度能使溶液在尽可能低的温度下保持液态。在共晶态下，高浓度的硫酸铁或高氯酸钙（这是火星上两种常见的盐）盐溶液甚至在低至-68℃的温度下都可以保持液态。　　此外，暴露在环境中时，这种共晶态液体可比纯水存在的时间长得多——其蒸发率不足纯水的十分之一。这种奇特性质使得共晶液体在火星上比纯水稳定多了，所以我们相信，在温度较高的陡坡上，那些奇特的条纹或许就是由盐水造成的。　　水促成了地表变化的现象其实并不罕见。在地球的南极地区，类似的水迹的确是由浓盐水的浅表流动形成的。研究者们甚至在这些南极水迹中发现了微生物。　　火星上的水　　地下冰的融化可能是“季节性斜坡线”出现的原因之一。基于遥感轨道上的中子探测，我们得知在火星中高纬度地区，有较薄的冰沉积层。通过HiRISE，我们发现一些新近产生的撞击坑暴露出了冰，这类冰所在的纬度低至北纬40度，离赤道比我们预想的要近些。　　这些冰沉积物是什么样的？出人意料的是，从岩石下挖出的冰非常干净，冻结层几乎没有混入土壤。这意味着，这些冰不是大气水分凝结的产物，因为大气中会有细小的土壤颗粒。这些冰也不可能是降雪的遗迹，因为雪会迅速升华，不会在地表保持太久。它们可能是一些盐水从地下较深处移动上来，重新冻结成干净的地表下的冰层。　　这种机制避免了升华引起的很多问题。因为纯水结成的冰比盐水形成的冰升华得快，几乎所有过去在浅层地下形成的冰如今都已升华掉了，只有盐度最高的冰留了下来。夏天，向阳的陡坡会吸收足够的热量，融化存留的盐水冰。　　我们观察到了支持这个观点的现象。“季节性斜坡线”的活动峰值不是对应着地表的热度峰值，而是对应着浅层地下温度的峰值，后者比前者迟几个月到来。另一方面，如果夏季温度高到足以融化盐水冰，那么久而久之，冰就会消失。或许盐水冰正在消失，每个位置的“季节性斜坡线”也只在几个或几十个火星年中活跃；又或者，水分可以由某种方式得到补充。

寻找火星生命　　如果“季节性斜坡线”确实反映了火星上存在流动的水，那接下来的问题自然是，水是否为某些能利用盐类的微生物提供了宜居条件。我们已经对地球上的极端微生物有了许多了解，这些物种有的能在极低或极高温度，极干燥或高盐度，以及高辐射等条件下生存。它们不仅能在某些-20℃的液体中生存，还能繁殖。　　不过，一些共晶溶液并不适合生物生存（就目前所知），所以并不是说有水就有生命，地球上同样如此。在夏季的一些时候，许多“季节性斜坡线”的位置及向下几厘米处的温度很可能高于-20℃。如果火星极端微生物存在的话，它们对极端环境的耐受能力可能比地球微生物还要强。　　火星上有水流塑造的条纹——这种可能性的影响是巨大的。目前我和同事仍致力于更好地理解“季节性斜坡线”的特性。在2011年发表于《科学》的论文的基础上，我们发现了很多有活跃“季节性斜坡线”的新地点。为了在地球上模拟HiRISE在火星轨道上的观测情况，其他研究者已经开展了实验室研究和南极科考。希望我们的协作努力可以阐明这个新发现的现象，并且阐明流水是否“季节性斜坡线”成因的最佳候选。　　也许，在无数关于火星水流的发现中，第一千零一次发现将终获成功。

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