追踪火星上的水：从冰盖到隐藏的海洋以及对生命的探索

尽管火星目前是一片寒冷、干燥的景象，但却隐藏着令人信服的迹象，表明火星的过去较为潮湿，潜在的地下水源可以支持生命或未来的人类殖民地。研究表明，火星上有古老的河流和湖泊，两极有冰冻的水，还有表明有大量水存在的矿物质。这些发现为寻找生命提供了依据，也为未来的火星探测计划提供了信息。

这幅艺术家的印象图展示了大约 40 亿年前火星的样子。年轻的火星本来有足够的水覆盖其整个表面，形成深约 140 米的液态层，但更有可能的是，这些液体汇集在一起形成了一个海洋，几乎占据了火星北半球的一半，有些区域的深度甚至超过了 1.6 千米。图片来源：ESO/M.Kornmesser

尽管火星表面目前寒冷干燥，但大量证据表明，这颗红色星球曾经部分被水覆盖。研究人员推测，火星在潮湿的时候可能已经进化出了生命，而生命现在甚至可能就隐藏在那里的地下含水层中。

西班牙天体生物学中心和纽约州伊萨卡康奈尔大学的天体生物学家阿尔贝托-费恩说："在地球上，水意味着生命。今天的火星表面非常干燥，但有很多线索表明火星的过去要湿润得多。过去水的证据可能是在火星上发现已灭绝生命的线索，如果今天火星上仍然存在一些水，那么肯定会增加发现现存生命的前景。"

美国国家航空航天局（NASA）的科学家已经确定，火星上的一个原始海洋拥有比地球北冰洋更多的水，而这颗红色星球上的水已经有87%流失到太空中。图片来源：NASA/GSFC

火星上的水对美国国家航空航天局天体生物学计划以外的研究领域也有重要影响。即使火星上不再有生命存在，或者火星上本来就不存在生命，水仍然可以证明对未来火星上的生命，即在这颗红色星球上建立人类殖民地至关重要。水不仅可以用来饮用，还可以用来抵御辐射，当水分裂成氢和氧时，还可以作为燃料。火星上过去、现在和未来生命的前景意味着，美国国家航空航天局有关这颗红色星球的许多研究都集中在它的水上。

几十年来，大量研究表明，数十亿年前，河流、湖泊和海洋曾经覆盖过火星。例如，2015年，火星大气层中的水地图显示，火星曾经拥有的水量可能足以覆盖火星五分之一的面积。此外，在2015年的另一项研究中，研究人员指出，一些火星鹅卵石的形状表明，它们曾经沿着河流滚动数十英里，这暗示着火星远古时期的水道是稳定的，而不仅仅是转瞬即逝的溪流。

对火星岩层的分析表明，早期较深的岩层很可能是在火星有丰富、较新鲜的水时形成的，而后来靠近地表的岩层则表明"火星是一个干旱的星球，只有一滩滩的卤水，最后形成了我们今天看到的极度干旱的沙漠"，费恩说。

如今火星上的大部分水可能都被冰封在极冠中。位于巴吞鲁日的路易斯安那州立大学的行星科学家苏尼蒂-卡鲁纳蒂拉克（Suniti Karunatillake）说，如果所有这些水冰都融化的话，据估计，这颗红色星球大小的球体可能会被大约 100 英尺（30 米）的水覆盖。

冰冻水可能不仅存在于火星两极的高纬度地区，也存在于中纬度地区。例如，2015 年，科学家们发现，在火星赤道和北极之间的地表下，埋藏着一块巨大的冰层，其面积相当于加利福尼亚州和德克萨斯州的总和，并且覆盖着一层尘埃保护层。

火星北极冰盖透视图及其形成螺旋状图案的独特暗槽。该视图基于欧空局火星快车拍摄的图像，并利用美国宇航局火星全球勘测者任务上的火星轨道激光测高仪（MOLA）的高程数据生成。图片来源：ESA/DLR/FU Berlin；NASA MGS MOLA 科学小组

火星上还有以水合矿物形式存在的水，即与水发生化学结合的矿物。未来的火星载人任务可以通过加热水合矿物来提取这些水。

火星上有多种类型的水合矿物，从粘土和碳酸盐到种类繁多的硫酸盐和氯化物。费恩说："粘土和碳酸盐可能表明存在大量的水，这些水可能对生物有益，因为它们不应该太酸或太咸。粘土和碳酸盐通常与撞击坑、峡谷和断层相关联，这表明它们非常古老，可能是由地下过程形成的，最终在侵蚀作用下暴露在地表。"

相比之下，硫酸盐和氯化物的形成只需要"少量的水，通常是咸的和酸性的"，不过，尽管硫酸盐和氯化物因此可能并不表明水量丰富，但"地球上的微生物也能在这样的环境中茁壮成长--我们称之为'嗜极生物'"。

美国宇航局火星探测计划首席科学家、天体生物学家迈克尔-迈耶说："在过去15年的探测中，最大的惊喜是火星上的水存量比我们想象的要多得多。我们在两极发现了水，在中纬度地区也看到了水。"

火星海尔陨石坑斜坡上反复出现的"线状物"。这幅经过处理的假色视图中的成像和地形信息来自美国宇航局火星勘测轨道飞行器上的高分辨率成像科学实验（HiRISE）相机。资料来源：NASA/JPL/亚利桑那大学

现在，火星表面非常干旱，因为空气太稀薄，液态水无法长期存在。这颗红色星球的大气压力大约只有地球的 1/100，在如此稀薄的空气中，水很容易沸腾。不过，火星斜坡上的深色窄线暗示，水可能会定期从这些地层中流下。

图森市亚利桑那大学的行星科学家阿尔弗雷德-麦艾文（Alfred McEwen）说，这些深色条纹--被称为"重现斜坡线"（recurring slope lineae，或RSL）--偏爱火星几乎无尘区域的陡峭斜坡。他指出，虽然南半球的火星也有RSL，但RSL在马林里斯谷等北部地点非常多。

卡鲁纳蒂拉克说，2016年的一篇论文提出，RSL是由混在土壤中的微量盐水或咸水驱动的。盐能降低水的沸腾温度，帮助水即使在火星上也能保持液态。

不过，最近的这些发现也表明，产生 RSL 所需的水量比以前假设的要少。此外，这种水的寿命可能很短，因此对于火星上可能存在的任何微生物来说都不是理想的环境。

在火星上的霍洛维茨陨石坑等地，顺坡而下的深色狭窄条纹可能是现代火星上的季节性水流形成的。这些条纹大约有一个足球场那么长。这张处理过的照片中的成像和地形信息来自美国宇航局火星勘测轨道飞行器上的高分辨率成像科学实验（HiRISE）相机。图片来源：NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学

相反，在火星上找到大量水的最佳地点可能是地下蓄水层。卡鲁纳蒂拉克说，对NWA7034等火星陨石的分析暗示了火星地壳中的含水层，这些陨石是被宇宙撞击炸飞后降落到地球上的火星岩石。

梅耶尔说："如果人们对液态水感兴趣的话，火星上最明显的选择就是地表下层。从理论上讲，火星深处的温度足以让水保持液态，水会自然流到那里并聚集起来。"

由于火星的地表重力只有地球的三分之一多一点，因此它的地壳密度比地球低，孔隙比地球多。以前的研究表明，这意味着有更多的水可以渗漏到地下。麦艾文说："我认为，火星地壳中很可能存在尚未探测到的深层水袋。不过，这些含水层并不浅，这些地下含水层可能位于地表以下数英里处。火星地幔中水蒸气的火山喷发可能会间歇性地补充这些含水层。"

根据美国宇航局火星全球勘测器上的火星轨道器测高仪数据绘制的塔尔西斯山和奥林帕斯山的阴影浮雕图像。新数据表明，从奥林匹斯山开始，塔西斯山是一个接一个形成的，可能是由地表下的单一地幔羽流运动形成的。资料来源：美国宇航局

熔岩管是凝固熔岩中的天然隧道，可能蕴藏着地下含水层。例如，在火星赤道附近的Tharsis凸起上的Arsia Mons火山或其附近就可能有熔岩管。卡鲁纳蒂拉克说："考虑到熔岩管可能有多深，它们可能在遥远的意义上类似于我们在夏威夷看到的那种含水层。熔岩管环境也可能有地热热源，可以驱动足够高的温度来保持水的液态"。

深洞系统也可能拥有地下蓄水层。马林里斯谷（Valles Marineris）是沿着塔西斯隆起以东的火星表面延伸的一个峡谷系统，它拥有各种硫酸盐，就像地球上一些拥有洞穴系统的地区一样。这些洞穴可能会困住液态水。它们可以创造一个稳定的环境，帮助生命进化（如果有的话）。

如果火星上存在液态水的地下含水层，卡鲁纳蒂拉克建议将地面穿透雷达活动的重点放在有证据表明古代含水层驱动洪水的地区。卡鲁纳蒂拉克说："考虑到在地热能的作用下，厚厚的冰层可以覆盖其下的液态水，这些目标可能包括之前的研究表明存在地下冰层的地点。"

迈耶说："虽然我们在环绕火星轨道上的资产没有发现任何地下含水层，但我们隐隐怀疑我们只看到了上千米左右，因为雷达是一个挑战。"

最终，揭示火星上水的演变过程可以让人们深入了解地球和其他行星。地球上的板块构造和其他基本地质活动都与海洋和地幔中的化学结合水有关，了解火星上水的历史有助于揭示水是如何影响这颗红色行星的地质的。这与火星上是否会出现生物圈，或者类似地球的生命是否仅限于孤立的小块区域（如果有的话）有着深刻的关系。

火星和地球曾经更加相似。我们可以通过观察火星来检验我们对地球上类似过程的理解是否和我们认为的一样多。可以问这样的问题：'生命是否在那里开始，如果是，是什么样的，如果不是，缺少了什么。'在地球上回答这些问题的问题是，地球上生命的许多早期记录已经被抹去，因此火星可能是帮助回答这些问题的关键。"

编译自/ScitechDaily