火星地下冰層有了最新發現 | 前沿

2021-01-16 知識分子

► 火星勘測軌道器MRO工作想像圖，圖片來源：NASA


撰文 | 鞠    強

責編 | 李曉明


●　●　●



今天出版的《科學》雜誌報導，火星地下冰層有了最新發現。


在各類火星研究中，最受矚目的就是對火星上的液態水或者固態水冰的研究。這直接涉及幾個關鍵問題：一是火星上是否有生命，或者火星上是否存在過生命；二是火星是否是人類移居地外的合適目的地，或者能否成為人類星際旅行的中轉站；三是相關研究可以重建火星的氣候歷史，加深我們對行星演化的認識，為研究地球氣候變化提供參照。這是基於這些關鍵問題，大部分的火星探測計劃都把對火星水和冰的研究作為重點。


科學家通過研究已經發現，火星表面三分之一的面積上覆蓋著淺層地表冰。他們從理論上提出了對於地表冰的成分和厚度等問題的見解，並通過軌道觀測獲得了豐富的數據。但是對於火星的地下冰層，科學家卻知之甚少，分層、厚度和成分等關鍵信息幾乎還是未知。比如說，他們對火星地表下幾米和更深處的冰的起源和年代是否相同並不清楚，因為較上層的冰很容易受到近期氣候的影響而發生變化。


不過，一項最新研究正為我們揭開火星地下冰層的神秘面紗。2018年1月12日，一個由美國多個大學和研究機構組成的研究小組在《科學》雜誌上發表論文，公布他們研究火星地下冰層的最新發現。這個研究小組使用NASA的火星勘測軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）上搭載的高清晰度科學實驗成像（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）儀器對火星表面進行觀測，發現了火星地下冰層的垂直結構。


具體來說，他們發現在火星中緯度（大約南北緯55度）的廣闊地區覆蓋著厚厚的沉積冰層。發生在這些地區的侵蝕作用產生了很多陡峭的斜坡，從而顯露出冰層的內部結構。而由於暴露出來的冰層的升華作用，這些陡坡也在快速後退中。


他們選擇其中的8個地點進行研究，其中7個分布在火星的南半球，1個在火星的北半球。在經過色彩增強的HiRISE圖像中，每個斜坡與周圍的地形相比都呈現出相對明顯的藍色。通過使用MRO搭載的火星緊湊偵查成像光譜儀（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars ，CRISM) 獲得的數據，科學家還發現其中的3個地點有水冰特徵。


► 圖中A-F是春末或夏初的冰坡色彩增強橫截面圖像，圖片來源：Science


大面積的水冰沉積出現在火星中緯度地區並不奇怪。火星公轉軌道平面與火星赤道平面之間的夾角過去曾經比較大（超過40度），在這樣大的傾角下，冰可能會在赤道附近積累。當火星的傾角降到目前或者更低數值時，赤道冰會升華，並重新在兩個半球（相對赤道地區）緯度更高的的地區沉積。研究人員認為，這次發現的沉積冰層就起源於這種機制所帶來的降雪，隨後被不斷壓實成為緊緻、分層的冰層。


他們在論文中指出，通過對這些地點的研究，多個證據顯示這次發現的陡坡是地下冰層的暴露而不是季節性霜凍。通過測算他們還認為，在火星地表下1-2米的淺層即能發現的水冰沉積，向下延伸的厚度可以超過100米。這些斜坡呈現出的冰層沉積，可以為科學家提供對火星過去氣候情況的記錄，成為科學家研究火星歷史的「冰年輪」。科學家發現這些沉積的深度非常淺，使得未來的火星探索項目可以比較容易地對這些沉積進行實地勘測和分析。


這次發布的論文的第三作者、約翰·霍普金斯大學地球與行星科學系博士後Lujendra Ojha是一位值得我們注意的學者，因為他的求學和工作經歷堪稱近幾年火星研究的一個縮影。


2015年9月28日，NASA在位於華盛頓的詹姆斯·韋伯禮堂舉行新聞發布會，宣布科學家發現「火星上存在液態水」。NASA行星科學部主任Jim Green在那場新聞發布會上表示：「30億年以前，火星有著濃厚的大氣層，表面有著巨大的海洋，但是由於某種原因，火星經歷了劇烈的氣候變化，失去了地表水。今天我們將徹底改變人類對火星的認知，在某些特定的情況下，火星表面存在液態水。」這一成果在線發表在Nature Geoscience上。

 

► 近年來參與多項火星研究的Lujendra Ojha，圖片來源：約翰·霍普金斯大學


雖然當時NASA有意對新聞發布會的內容保密，以製造懸念、吸引媒體和公眾的關注，但業內科學家還是猜到了會議主題，原因就是當時正在喬治亞理工學院讀博士的Lujendra Ojha也出席了會議。早在2011年，當他還是亞利桑那大學的一名本科生的時候，他就利用HiRISE拍攝到的圖像對火星一些隕坑坑壁上出現的深色條紋開展研究。這些深色條紋呈現季節性變化，一般在火星的春季開始出現，在整個夏季變得越來越明顯，在秋冬季逐漸消失。Lujendra Ojha和同事把這種條紋稱作「季節性斜坡紋線」（Recurring Slope Lineae，RSL）。


研究人員認為這些條紋是由火星表面液態水的流動所形成的。如果水中溶解了鹽類，那水的凝固點可以顯著降低。這樣在火星表面的低溫條件下，水仍然可以以液態的形式存在。他們將有季節性斜坡紋線存在的地區的光譜同高氯酸鎂、氯酸鎂、氯化鎂以及高氯酸納等物質的光譜進行比對發現，前者和後者的光譜特徵相符合。這樣就可以確認這些地區含有可溶性鹽類，並為火星表面存在液態滷水提供有力證據。


從發現液態滷水到發現地下冰層，Lujendra Ojha一直參與其中，科學家也在不斷了解火星上的水和冰。但是，我們也要認識到，目前距離「發現火星生命」或者「移民火星」依舊很遙遠。正如NASA火星探測項目首席科學家Michael Meyer曾經說過的那樣：「即使在火星上發現液態水，我們也不知道火星上有沒有生命，事實上我們甚至不知道我們究竟在尋找什麼，因此我們轉而去尋找那些能夠讓生命存在的環境。」


參考文獻

[1] Benjamin Levrard, François Forget, Franck Montmessin, Jacques Laskar.  Recent ice-rich deposits formed at high latitudes on Mars by sublimation of unstable equatorial ice during low obliquity. Nature, Volume 431, Issue 7012, pp. 1072-1075 (2004).  

[2] Lujendra Ojha, Mary Beth Wilhelm, Scott L. Murchie, Alfred S. McEwen, James J. Wray, Jennifer Hanley, Marion Massé & Matt Chojnacki. Spectral evidence for hydrated salts in recurring slope lineae on Mars AOP. Nature Geoscience, 2015; DOI: 10.1038/ngeo2546 

[3] http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aao1619.


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