專家解讀：NASA如何發現火星液態水？分析測試百科網wiki版

發布時間：2015-09-29 15:21 原文鏈接：專家解讀：NASA如何發現火星液態水？

　　要達到好的宣傳效果，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“重大發現”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現“火星人”那種大發現，不過這次新聞發布會的成果確實有所不同，也足夠分量：光譜證據顯示，火星上現在就有液態水。

　　發布會上的關鍵人物

　　早在新聞發布會舉行之前，很多人從NASA預告將出席發布會的人員名單中，已經非常準確地猜到即將公布的“重大發現”是什么了。因為參加發布會的人員中有一位博士生Lujendra Ojha，他的出現給大家一個很強烈的信號，因為正是他發現了火星上的季節性坡紋，表明火星上可能存在發現液態水流。

　　Lujendra Ojha（個人網站：http://www.lujendraojha.net/）目前仍是美國佐治亞理工學院的一名在讀博士生，酷愛搖滾樂，預計明年才畢業。2011年，當他還是亞利桑那大學的一名本科生時，從火星勘測軌道器拍攝的高清圖像上，發現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性坡紋（recurring slope lineae，RSL），認為可能與水流作用有關。

　　NASA本次新聞發布會，源于Lujendra Ojha作為第一作者發表在《自然·地球科學》上的一篇論文《火星季節性坡紋中發現水合鹽類的光譜證據》。這篇論文于今年4月22日投稿，經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，這篇文章被掛到網上在線發表。

　　在這篇文章在線發表的同時，《自然·地球科學》網站發布了這篇文章的新聞稿，當然，編輯部并沒有預料到這條論文會被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讀者。

　　什么是季節性坡紋？

　　季節性坡紋是一種顏色較暗（即反射率較低）的狹長條紋，在火星表面相當活躍。Lujendra Ojha發現，當氣溫上升時，季節性坡紋開始形成并發育壯大，一般在：當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，在整個夏季變得越來越明顯，到秋冬季節逐漸消失。

　　多年觀測發現，季節性坡紋一般在同一位置反復出現。據推測，這一神秘的地質現象可能與流水有關，直接關系到火星上現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儀器獲得的遙感數據，研究這些季節性坡紋形成的地質過程或水文過程，解釋其成因。這次，他們終于找到了證據。

　　圖1 火星上一個面向西部的賈尼撞擊坑（Garni）坑壁上的季節性坡紋

　　圖2 火星Coprates Chasma地區東北向傾斜的季節性坡紋（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。影像數據源自MRO上的HiRISE高分辨相機。右上角的小圖為局部區域的放大圖。

　　圖3 火星上Melas Chasma地區扇形細顆粒物質上發育的季節性坡紋（NASA / JPL-Caltech / University of Arizona），彩色影像源自MRO上的HiRISE高分辨相機。

　　圖4 拍攝于不同時間的同一地區影像，顯示季節性坡紋有時出現，有時消失據推測

　　圖5 火星海拉斯盆地中發育的沖溝，寬1-10米（MRO于2011年1月14日拍攝，REUTERS/NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona/Handout）

　　水合鹽類的光譜證據

　　簡單地說，這次發現的主要成果，就是利用搭載在火星勘測軌道器上的高分辨率成像科學設備（HiRISE）和緊湊型火星勘測成像光譜儀（CRISM）獲得的數據，發現了火星上存在水合鹽類的光譜證據。

　　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，因此根據光譜特征可以識別目標物質的成分。Lujendra Ojha為什么能從光譜數據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，識別出季節性坡紋所在的位置；然后，從CRISM的探測數據中提取這些位置及其周圍區域的光譜，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”。由于季節性坡紋的光譜與水合鹽類物質的光譜具有相同的吸收特征，推測季節性坡紋中存在水合鹽類；最后，根據季節性坡紋中光譜監測到的水合鹽類含量的變化，可以確定這些季節性坡紋是由水流作用形成的。

　　圖6 季節性坡紋發育地區的光譜分析

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

　　由上圖可以看出，季節性坡紋中的物質在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，高氯酸鹽類物質已經在火星上的多處地點被發現，這次的發現增加了火星上存在宜居環境的可能性，下一步NASA科學家致力于研究這些鹵水的來源及其儲量。

　　圖7 火星Horowitz撞擊坑中央峰上的季節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。

　　圖8 火星上Hale撞擊坑中央峰的季節性坡紋及其CRISM光譜。

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

　　圖9 火星上Coprates Chasma地區觀測到的季節性坡紋、沖擊扇及其CRISM光譜。

　　圖中，a為CopratesChasma地區源自基巖的季節性坡紋，黑色箭頭為可能與水流作用相關的沖擊扇。b中的彩色方框與a為同一區域。c中不同顏色的光譜對應a中方框區域的測量結果。

　　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。火星的表面溫度隨地理位置、一天中的時間以及表面性質而變化。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都超過了273K，最高溫度記錄是仲夏季節的中午，在南緯25度處，記錄到295K的最大值。最低溫度是仲冬時節，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，溫度降低到150K。

　　表面溫度隨天、季節和緯度有很大的不同，夏季最高溫度可達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，整個冬季的溫度都很低（低于-123℃），使大氣的主要組分CO2凍結成白色沉積物，形成極冠，由于極冠的季節性循環，表面總氣壓波動達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，實驗室中經過優化后的配方，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，水溶液的黏度也可能上升2-3個數量級，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性坡紋，卻至今沒有找到液態水流的原因。

　　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的探測數據表明，火星北半球高緯地區分布著大量以石膏為主的硫酸鹽，中低緯度地區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存在分布廣泛的氯化物。

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

　　此次成果發布會上展示的火星液態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，也遠遠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，火星上也曾經有過大規模的水，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或從地球上帶去。地球上已經成熟的海水淡化技術和國際空間站的水循環利用技術，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，太空艙內收集的水分經過過濾、凈化后循環利用。有位航天員曾經形象地說過，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水的發現增加了火星上存在宜居環境的可能性，下一步NASA科學家致力于研究這些鹵水的來源及其儲量。火星上是否存在或曾經存在過生命物質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困難，因此尋找火星上具備生命物質產生、生存與發展的環境條件成為解決問題的關鍵，旨在回答水的存在、水體發育程度、氣候條件、土壤中微生物等。

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