出品：科普中國

　　制作：中國科學(xué)院國家天文臺 鄭永春

　　監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

　　要達(dá)到好的宣傳效果，要先吊足胃口——美國國家航空航天局（NASA）的宣傳主管顯然深諳此道。相信很多人仍對今年7月NASA另一個地球的“重大發(fā)現(xiàn)”記憶猶新，9月28日晚，NASA再度拋出“火星之謎已解開”的重磅新聞。雖然并非我們想要的發(fā)現(xiàn)“火星人”那種大發(fā)現(xiàn)，不過這次新聞發(fā)布會的成果確實有所不同，也足夠分量：光譜證據(jù)顯示，火星上現(xiàn)在就有液態(tài)水。

火星上一個面向西部的賈尼撞擊坑（Garni）坑壁上的季節(jié)性坡紋

　　火星Coprates Chasma地區(qū)東北向傾斜的季節(jié)性坡紋（NASA / JPL-Caltech / University of Arizona）。圖中黑色箭頭所指部位顯示了水流沖刷的痕跡。影像數(shù)據(jù)源自MRO上的HiRISE高分辨相機(jī)。右上角的小圖為局部區(qū)域的放大圖

　　發(fā)布會上的關(guān)鍵人物

　　早在新聞發(fā)布會舉行之前，很多人從NASA預(yù)告將出席發(fā)布會的人員名單中，已經(jīng)非常準(zhǔn)確地猜到即將公布的“重大發(fā)現(xiàn)”是什么了。因為參加發(fā)布會的人員中有一位博士生Lujendra Ojha，他的出現(xiàn)給大家一個很強(qiáng)烈的信號，因為正是他發(fā)現(xiàn)了火星上的季節(jié)性坡紋，表明火星上可能存在發(fā)現(xiàn)液態(tài)水流。

　　Lujendra Ojha（個人網(wǎng)站：http://www./）目前仍是美國佐治亞理工學(xué)院的一名在讀博士生，酷愛搖滾樂，預(yù)計明年才畢業(yè)。2011年，當(dāng)他還是亞利桑那大學(xué)的一名本科生時，從火星勘測軌道器拍攝的高清圖像上，發(fā)現(xiàn)一些撞擊坑的坑壁上存在暗色條紋。Lujendra Ojha把這些條紋命名為季節(jié)性坡紋（recurring slope lineae，RSL），認(rèn)為可能與水流作用有關(guān)。

　　NASA本次新聞發(fā)布會，源于Lujendra Ojha作為第一作者發(fā)表在《自然?地球科學(xué)》上的一篇論文《火星季節(jié)性坡紋中發(fā)現(xiàn)水合鹽類的光譜證據(jù)》。這篇論文于今年4月22日投稿，經(jīng)過一番審稿和修改之后，最終于今年8月21日被同意接收。9月28日，這篇文章被掛到網(wǎng)上在線發(fā)表。

　　在這篇文章在線發(fā)表的同時，《自然?地球科學(xué)》網(wǎng)站發(fā)布了這篇文章的新聞稿，當(dāng)然，編輯部并沒有預(yù)料到這條論文會被NASA炒作成一個大熱點，雜志社的華人編輯也沒有把新聞稿譯成中文以饗國內(nèi)讀者。

　　火星上Melas Chasma地區(qū)扇形細(xì)顆粒物質(zhì)上發(fā)育的季節(jié)性坡紋（NASA / JPL-Caltech / University of Arizona），彩色影像源自MRO上的HiRISE高分辨相機(jī)

拍攝于不同時間的同一地區(qū)影像，顯示季節(jié)性坡紋有時出現(xiàn)，有時消失據(jù)推測

　　什么是季節(jié)性坡紋？

　　季節(jié)性坡紋是一種顏色較暗（即反射率較低）的狹長條紋，在火星表面相當(dāng)活躍。Lujendra Ojha發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣溫上升時，季節(jié)性坡紋開始形成并發(fā)育壯大，一般在：當(dāng)氣溫下降天氣寒冷時，這些坡紋又會消失不見。即一般從春季開始出現(xiàn)，在整個夏季變得越來越明顯，到秋冬季節(jié)逐漸消失。

　　多年觀測發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性坡紋一般在同一位置反復(fù)出現(xiàn)。據(jù)推測，這一神秘的地質(zhì)現(xiàn)象可能與流水有關(guān)，直接關(guān)系到火星上現(xiàn)在是否有水這一重大命題。Lujendra Ojha和他的同事們一直在利用搭載在多顆火星軌道器上的科學(xué)儀器獲得的遙感數(shù)據(jù)，研究這些季節(jié)性坡紋形成的地質(zhì)過程或水文過程，解釋其成因。這次，他們終于找到了證據(jù)。

　　水合鹽類的光譜證據(jù)

　　簡單地說，這次發(fā)現(xiàn)的主要成果，就是利用搭載在火星勘測軌道器上的高分辨率成像科學(xué)設(shè)備（HiRISE）和緊湊型火星勘測成像光譜儀（CRISM）獲得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了火星上存在水合鹽類的光譜證據(jù)。

　　光譜分析是行星遙感中的常用手段。由于每種元素都有自己的特征譜線，因此根據(jù)光譜特征可以識別目標(biāo)物質(zhì)的成分。Lujendra Ojha為什么能從光譜數(shù)據(jù)中分析出火星表面有水呢？

　　首先，他利用HiRISE獲得的高分辨率照片，識別出季節(jié)性坡紋所在的位置；然后，從CRISM的探測數(shù)據(jù)中提取這些位置及其周圍區(qū)域的光譜，繪制成下圖中的譜線。這些譜線中向下凹的地方稱為“吸收峰”。由于季節(jié)性坡紋的光譜與水合鹽類物質(zhì)的光譜具有相同的吸收特征，推測季節(jié)性坡紋中存在水合鹽類；最后，根據(jù)季節(jié)性坡紋中光譜監(jiān)測到的水合鹽類含量的變化，可以確定這些季節(jié)性坡紋是由水流作用形成的。

　　火星海拉斯盆地中發(fā)育的沖溝，寬1-10米（MRO于2011年1月14日拍攝，REUTERS/NASA/JPL-Caltech/Univ。 of Arizona/Handout）

季節(jié)性坡紋發(fā)育地區(qū)的光譜分析

　　上圖中，a和b中的彩色方框為光譜測量的區(qū)域；c為光譜測量結(jié)果，不同顏色的譜線分別對應(yīng)于a和b圖中不同的測量區(qū)域。d為地面實驗室內(nèi)測得的各種含水鹽類化合物的譜線。

　　由上圖可以看出，季節(jié)性坡紋中的物質(zhì)在1.48微米、1.9微米和2.14微米處有明顯的吸收峰。其中，所有區(qū)域在1.9微米譜段都有明顯的吸收峰，這一位置的吸收峰與地面實驗室測得的高氯酸鹽的光譜特征一致。

　　此前，高氯酸鹽類物質(zhì)已經(jīng)在火星上的多處地點被發(fā)現(xiàn)，這次的發(fā)現(xiàn)增加了火星上存在宜居環(huán)境的可能性，下一步NASA科學(xué)家致力于研究這些鹵水的來源及其儲量。

火星Horowitz撞擊坑中央峰上的季節(jié)性坡紋活動及其光譜特征

　　上圖中，a為源自Horowitz撞擊坑中央峰基巖的季節(jié)性坡紋（HiRISE影像，攝于第28個火星年），b為同一HiRISE影像中另一中央峰上的季節(jié)性坡紋（比例尺同a）。c圖中的兩條黑色譜線分別為CRISM測得的圖a和圖b中方框區(qū)域的光譜，彩色譜線為火星土壤光譜與各種鹽類光譜混合的結(jié)果，從上到下依次為火星土壤與高氯酸鎂、高氯酸鈉、高氯酸鈣的混合光譜。

火星上Hale撞擊坑中央峰的季節(jié)性坡紋及其CRISM光譜

　　a為Hale撞擊坑中央峰的季節(jié)性坡紋，上北下南，太陽光從左側(cè)照入，影像源于HiRISE相機(jī)，攝于第31個火星年。b為a圖中方框區(qū)域的紅外光譜。

火星上Coprates Chasma地區(qū)觀測到的季節(jié)性坡紋、沖擊扇及其CRISM光

　　圖中，a為Coprates Chasma地區(qū)源自基巖的季節(jié)性坡紋，黑色箭頭為可能與水流作用相關(guān)的沖擊扇。b中的彩色方框與a為同一區(qū)域。c中不同顏色的光譜對應(yīng)a中方框區(qū)域的測量結(jié)果。

　　低溫鹵水具流動性

　　火星與太陽的平均距離約2.279億千米。表面干燥、寒冷，且大氣稀薄?；鹦堑谋砻鏈囟入S地理位置、一天中的時間以及表面性質(zhì)而變化。在黎明前溫度最低，然后迅速升高，正好過中午后溫度達(dá)到最高值，然后在下午迅速下降，隨后慢慢地下降到黎明的低值。

　　由于火星軌道的偏心度，火星南半球夏季最高溫度大約比北半球高30K，在很寬的緯度范圍內(nèi)都超過了273K，最高溫度記錄是仲夏季節(jié)的中午，在南緯25度處，記錄到295K的最大值。最低溫度是仲冬時節(jié)，南極極冠的溫度可降到140K。在表面以下幾厘米深度，日平均溫度為210~220K；在冬季極區(qū)，溫度降低到150K。

　　表面溫度隨天、季節(jié)和緯度有很大的不同，夏季最高溫度可達(dá)17℃，但平均日溫不超過-33℃。由于大氣層很薄，日溫度變化100℃是很平常的。在南北緯50°以上的極區(qū)，整個冬季的溫度都很低（低于-123℃），使大氣的主要組分CO2凍結(jié)成白色沉積物，形成極冠，由于極冠的季節(jié)性循環(huán)，表面總氣壓波動達(dá)30%。

　　由于火星表面氣溫往往低于純水的冰點，因此純凈的液態(tài)水在火星上很難存在，而高氯酸鹽的存在降低了水溶液的冰點。一般加入銨鹽后的水溶液，冰點可降低至約零下40攝氏度，實驗室中經(jīng)過優(yōu)化后的配方，水溶液的冰點可降至約零下80攝氏度。因此，即便在遠(yuǎn)低于零攝氏度的低溫下，火星上的鹵水也有一定流動性。

　　此外，由于水溶液中的高氯酸鹽含量高，密度大，火星上的低溫使水溶液黏度大。因此即便是液態(tài)，水溶液的黏度也可能上升2-3個數(shù)量級，就像我們辦公室使用的膠水，流動性較差。這也是雖然在火星上觀察到大量季節(jié)性坡紋，卻至今沒有找到液態(tài)水流的原因。

　　高氯酸鹽有毒

　　迄今為止的多個火星探測器在火星表面探測到了碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物等一系列地球上常見鹽類礦物。遙感光譜及高分辨率相機(jī)的探測數(shù)據(jù)表明，火星北半球高緯地區(qū)分布著大量以石膏為主的硫酸鹽，中低緯度地區(qū)的水手峽谷及附近低地廣泛分布鎂、鈣硫酸鹽；火星南半球中低緯度高原地區(qū)存在分布廣泛的氯化物。

　　除了遙感測量外，機(jī)遇號、勇氣號、鳳凰號、好奇號等火星車在著陸區(qū)附近發(fā)現(xiàn)了一系列蒸發(fā)鹽礦物。鳳凰號著陸后在機(jī)械臂上冷凝的液體中探測到大氣沉降形成的高氯酸鹽，并發(fā)現(xiàn)火星近地表可能含有高濃度的鹵水。

　　此次成果發(fā)布會上展示的火星液態(tài)水正是高氯酸鹽為主的鹵水。

　　高氯酸鹽有毒性，會致畸。人體攝入高氯酸鹽將抑制碘吸收，削弱甲狀腺功能對嬰幼兒也有致畸作用，會產(chǎn)生面部潰瘍。

　　即便如此，有水總比無水好，哪怕是有毒的水，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比付出高昂代價從地球上運水要好得多。水是生命之源，火星上的水資源實在太珍貴了，沒有水航天員在火星上將完全無法生存。雖然水在太陽系中非常豐富，火星上也曾經(jīng)有過大規(guī)模的水，以及許多河流和湖泊。但此前在火星上還沒有找到可用的水源，航天員生存所需的水需要就位生產(chǎn)或從地球上帶去。地球上已經(jīng)成熟的海水淡化技術(shù)和國際空間站的水循環(huán)利用技術(shù)，大大增加了人類在火星上就位取水的可能性。在國際空間站，不會有任何一滴汗水、眼淚或尿液被浪費，利用再生水回收系統(tǒng)，太空艙內(nèi)收集的水分經(jīng)過過濾、凈化后循環(huán)利用。有位航天員曾經(jīng)形象地說過，在國際空間站上，我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。

　　富含高氯酸鹽的液態(tài)水的發(fā)現(xiàn)增加了火星上存在宜居環(huán)境的可能性，下一步NASA科學(xué)家致力于研究這些鹵水的來源及其儲量?；鹦巧鲜欠翊嬖诨蛟?jīng)存在過生命物質(zhì)的問題一直以來是火星探測的熱點與重點。由于直接探測生命存在技術(shù)困難，因此尋找火星上具備生命物質(zhì)產(chǎn)生、生存與發(fā)展的環(huán)境條件成為解決問題的關(guān)鍵，旨在回答水的存在、水體發(fā)育程度、氣候條件、土壤中微生物等。

　　根據(jù)地球的經(jīng)驗，只要有液態(tài)水并且有一定的熱量，幾乎肯定可以有生命存活。此次發(fā)布的重要成果，為下一步在火星上尋找生命提供了希望。當(dāng)然，火星上的生命肯定只能是低等的微生物。

　　注：文中所有圖片來自NASA。

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