这一次，我们真的在火星找到“地下湖泊”了吗？

　　|· 本文来自“我是科学家”·|
　　近日，意大利天体物理研究所的罗伯特·奥罗塞（Roberto Orosei）团队宣布他们可能在火星南极的冰盖之下发现了液态水湖[1]，惊不惊喜？意不意外？人类是不是很快就能去火星钻冰捞鱼了？
　　别高兴的太早。虽然可能性很大，但还是不一定。
　　不过，这至少已经是我们距离发现火星稳定的液态水储备最近的一次，也将长达三十多年的火星冰下“寻湖之旅”又推进一程。
火星真的缺水吗？
　　种种证据显示，曾经的火星很可能也是个宜居的“天堂”。30多亿年以前的火星，内核有活力，外层有大气，既有磁场做“护身符”，还可能有过汪洋大海覆盖表面。
　　只是如今，它们都已经成为过往。
　　随着火星的内部渐渐冷却，磁场慢慢消失，大气层散逸，表面的液态水也没能幸免。火星的表面，最终变成了如今我们看到的这样：寒冷、干燥， “一片死寂”。
　　不过，还是有大量固态形式的水（也就是水冰）保留在了火星上。
　　和地球一样，火星的南北极地区就有不少水冰暴露在表面上，并存在季节性的涨退。

图：火星的四季变化和南北极冰盖。改编自：2003 Encyclopedia Britannica, Inc

　　随着人类孜孜不倦的探索，发现火星的地下也埋藏着大量的纯净水冰：
　　天上飞翔的火星奥德赛号探测器，携带的伽马射线光谱仪GRS间接探测到过水冰；地上刨土的凤凰号着陆器直接在火星北极挖到了高纯度水冰…一些火星断崖中暴露出来的信息，甚至显示中纬区域的地下也有大量纯净水冰。

图：凤凰号挖到的两处水冰示例。来源：参考文献[2]

　　所以，火星不是缺水（冰），而是缺“液态水”。
　　火星表面确实也曾发现过一些较新的、可能是流水侵蚀过的痕迹——例如冲沟和季节性斜坡纹线（RSL），但这最多只能代表火星表面可能有季节性的、不稳定的少量液态水——总之，火星的地表上已经不可能还有大量液态水存在了。

图：HiRISE相机在火星上牛顿陨石坑（41.6°S, 202.3°E）中不同时期的拍摄的照片显示出明显的流动痕迹，可能是液态水。来源：维基

　　那么，火星上到底还有没有大量、稳定的“私藏”液态水存在于地表以下呢？为探明这一问题，科学家们孜孜以求了三十多年。
聚焦火星南北极！
　　如果火星的地下真的有稳定的液态水湖泊，那么最可能出现在哪儿呢？早在1987年，一个叫做Stephen Clifford的行星科学家就预言[3]：最可能在火星南北极。
　　仔细研究火星的南北极，会发现这里的冰盖表层（既有水冰，也有干冰）之下，是下图这样的层状堆积层，由混杂着尘埃的水冰组成，层层累积起来就像“千层蛋糕”一样。

图：火星南极冰盖和层状堆积层。来源：NASA

　　Clifford相信，火星的稳定液态水最可能埋藏在这“千层蛋糕”一样的南北极冰盖之下。
　　可是等等！这听上去似乎不科学呀，照理说南北极不是最冷的地方吗？有常年冰封的冰盖不是吗？这种地方为啥最可能出现液态水？
　　其实，正是因为南北极冰盖太厚，产生了巨大的压强，使得冰的熔点降低，到了一定的深度，冰就会“迫于高压”融化成液态水。
　　地球上其实已经有了不少这样的例子——比如南极冰盖的沃斯托克冰下湖，在零下几十度的环境中仍能保持液态。

位于南极冰盖4公里左右深处的沃斯托克冰下湖。后来科学家们在这里打了钻。来源：维基

　　问题是，冰层下的水，要怎么找呢？
　　天上飞的轨道器很难探测到地下的结构，送个着陆器去挖似乎也不会有头绪……毕竟火星南北极那么大，冰层又那么厚。就算知道精确的位置，也未必能挖的到。总之，这些方法都不靠谱。
探地雷达出场
　　有没有什么办法可以对火星南北极冰面进行“透视”呢？别说，还真有！探地雷达就可以通过电磁波信号来“看到”地下的浅表层结构。
　　由于不同物质的介电常数（可以简单理解为让电磁波衰减的能力），导致雷达信号的接收时间和反射强度也就不同，通过测量这些参数，就可以反推出这些雷达信号穿过了哪些不同的物质，以及每层物质到底有多厚。

图：测地雷达探测浅表层结构的原理示意图。来源：参考文献[4]

　　而这次的新发现，最大的功臣当属硕果累累超长待机的火星快车号探测器（Mars Express）。
　　作为欧空局的第一个火星探测器，火星快车号可以说是首战成名。它自2003年圣诞节进入火星轨道以来，一直工作到现在……虽然小猎犬2号着陆器失败，但丝毫不妨碍火星快车号一路开挂的科学发现。
　　火星快车号最重要的功劳之一，是其搭载的可见光与红外线矿物光谱仪OMEGA，首次在火星表面多处检测出了粘土矿物（也就是水合层状硅酸盐）。粘土的形成需要大量液态水的环境，这表明很久很久以前有大量液态水流经火星表面[5]。
　　而这次的发现，是由火星快车号携带的、意大利开发的测地雷达MARSIS，在2012年5月到2015年12月三年多的数据收集整理得到的。

图：火星快车号展开20米长的雷达天线进行探测时的假想图。来源：维基

“透视”结果
　　“预言家”Clifford当年认为，因为火星北极冰层更厚，所以更可能有冰下湖。不过，这次的冰下湖却是在火星南极冰盖下发现的（原因可能是由于南极冰层更薄，所以更容易被探测到冰下物质）。

图：本次探测区域位于南极层状沉积层中（黑框区域）。来源：参考文献[1]

　　带着MARSIS的火星快车号探测器在扫描火星南极的某个区域时，发现了一个具有特殊信号的“异常区”。
　　这个异常区的深度大约在地表以下1.5公里处。多轨雷达数据可以圈定这个亮反射异常区域的范围，下图右图箭头处，宽度大约有20公里。

图：本次研究中发现的异常区的范围（对应着高反射强度，图中蓝色区域）。来源：ESA和参考文献[1]

　　研究者们在计算出异常区域所在深度的同时，还算出了这个异常区域的介电常数。
　　统计结果显示异常区之内的概率峰值对应的介电常数>15，而异常区区之外的区域概率峰值对应的介电常数只有7左右。这意味着：（1）异常区和周围的物质成分必然有很大差异，（2）异常区中的介电常数特别高，大于15。
异常区里藏着什么？
　　是液态水湖吗？还不一定。
　　以我们对地球的雷达观测数据的分析经验来说，要达到这么大的介电常数，在地球上基本只有液态物质这一种可能性（南极和北极的冰下湖都符合这样的介电常数。）
　　但在火星上，一切就不那么绝对了。毕竟无法进行人工实地勘探，各种地下物理参数都是估计的，有很多不确定性。
　　而且即使是液态的，也未必就以液态水湖这样的形式出现。本次研究者给出的推论也提到这里既可能是液态湖，也可能是富含水的饱和沉积物层。
　　就算它是液态水湖，它也不是我们平常见到的那种“湖”，而是个冰下“封印之湖”。这个区域的温度低达零下70摄氏度，然而这里的冰盖厚度只有1.5公里，远远低于之前认为的“压化”水冰的厚度，那么为什么水还可以保持液态的形式？
　　研究者给出的解释是，这些液态水中含有大量的盐类（镁、钙、钠、高氯酸盐等），于是高压含盐的环境共同使得冰的熔点变低，于是水可以在不那么高压的环境下也得以保持液态。目前轨道器和着陆器火星车的探测结果也显示，火星全球应当都遍布高氯酸盐（和其他一些物质），水中高盐也不算意外。
　　总之，这个异常区域的液态水湖，目前还是基于间接观测结果的其中一个推论而已。而且如果真的是液态水湖，可能更倾向于一潭卤水湖。
　　而另一方面，由于探地雷达MARSIS的分辨率较低，我们有理由推测，如果这里真的有冰下湖，那么很可能不止这一小块，只是其他地方尚未发现而已。而冰层更厚的北极冰盖之下，可能有更大更多的液态湖，只是目前的技术手段还探不了那么深而已。
争议尚存
　　你或许会问，既然对火星探测了几十年，为啥之前的雷达观测都没有发现液态水呢？确实，除了火星快车号携带了探地雷达MARSIS，火星勘测轨道飞行器(MRO)也携带过一个探地雷达SHARD，而且…SHARD也探测过这个区域。
　　但是SHARD却什么都没看到！

图：MARSIS和SHARD两个雷达在几乎同一段航线下观测的的雷达剖面。改编自：参考文献[1]

　　因此，MRO项目组的科学家们对这个结果是持怀疑态度的[6]。尽管他们也承认，两个雷达的探测频段不同，出现这种差异也是可能的。
　　更准确地说，SHARD的探测频段是高频，这意味着分辨率高但探测深度浅，而MARSIS是低频，分辨率低但探测深度深，所以SHARD没有看到雷达图中的亮线而MARSIS看到了是说的通的。
　　不过，MRO项目组的科学家们还是认为应该再次检核SHARD的雷达数据，以确认是不是真的看不到。
　　魂牵梦萦，生命之水 
　　二十多年前的人类，以为整个太阳系中除了地球之外都是沙漠（以没有液态水为标准，南北极也是沙漠）。
　　然而，飞速发展的深空探测成果一次又一次地给我们以惊诧：或许，火星有冰下湖，谷神星有冰下海，木卫二和木卫三、土卫二和土卫六，甚至冥王星……它们的冰层之下也都有区域性或者全球性的盐水海洋。
　　虽然这些都还没有真的钻孔采样挖出来让我们亲眼看到，但越来越多的观测结果让我们相信，太阳系并不是干涸的沙漠，而是蕴藏着数不清的生命之源。
　　至于人们最关心的：这些冰下湖海中是不是有生命存在？只能说不能排除这种可能性，但也确实目前没有发现过相关证据。
　　也有人问道火星“移民”大概可以提上日程了吧？或许，这一天有可能会真的来临……但在那之前，无疑还有很多计划和准备工作等待我们去做。
参考文献：

• Orosei et al. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars.Science.
  
• Mellon, M. T., Feldman, W. C., & Prettyman, T. H. (2004). The presence and stability of ground ice in the southern hemisphere of Mars. Icarus, 169(2), 324-340.
  
• Clifford, Stephen M. "Polar basal melting on Mars." Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92.B9 (1987): 9135-9152.
  
• Diez. (2018). Liquid water on Mars. Science.
  
• Bibring, J. P., Langevin, Y., Gendrin, A., Gondet, B., Poulet, F., Berthé, M., ... & Drossart, P. (2005). Mars surface diversity as revealed by the OMEGA/Mars Express observations. Science, 307(5715), 1576-1581.
  
• https://www.sciencenews.org/article/mars-may-have-lake-liquid-water-search-life
  

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