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火星地下冰川:新发现的意义


来源:科技导报

火星发现水的历程

2018112日,Dundas C M等在《Science》文章称,科学家在火星上探测到8条发生侵蚀的断崖,从中发现了巨量的水冰资源。这些水冰的纯度非常高,冰层厚度从地下1~2 m深处,一直延伸到地下100多米不等。由于断崖上的水冰长期暴露在大气中,因此正在慢慢升华,进而导致断崖不断收缩。

火星上有水早已不是新闻。人类已经开展了40多次火星探测,获得了大量与水有关的发现,包括:冲沟、三角洲、冲积扇等流水作用的遗迹(图1);被水浸泡过的岩石;火星快车发现了火星上的海岸线;好奇号发现了含有粘土矿物的沉积岩层,还发现了水流冲击形成的鹅卵石。这些发现证实,火星上曾经有过大规模的水。

这些冲沟宽1~10 m,与流水作用有关。该图片为火星勘测轨道飞行器于2011年1月14日拍摄

图1  火星海拉斯盆地中发育的冲沟

但是,火星上的水究竟储藏在什么地方,储量有多少,特别是地下冰层一直没有得到确认。2008年,凤凰号着陆器在火星68°N附近,挖到了高纯度的水冰,但凤凰号的着陆点位于较高纬度,温度较低,发现水冰属于意料之中。接下来,科学家希望知道,在比这更低纬度的中纬度地区,是否也有水冰。2009年,科学家终于在40°N~55°N的新鲜撞击坑周围,发现了含有水冰的溅射物。2015年,Lujendra Ojha等发现,在火星表面的某些特定位置,可能至今仍有液态水。发现液态水的区域,位于火星上的“季节性坡纹”,即山坡上的纹路随季节更替而出现显著变化的地方。当气温上升时,季节性坡纹开始形成并发育壮大;而当气温下降、天气寒冷时,这些坡纹又会消失不见。

火星地下冰层如何确证

此次利用火星勘察轨道器(MRO)探测到的数据,在8条断崖上,分析出了地下冰层的垂直剖面结构,包括分层情况、厚度以及水冰的纯度。火星勘察轨道器上,搭载了一台高分辨率成像科学实验相机(HiRISE),配备0.5 m孔径镜头,是有史以来最强悍深空探测成像设备,最高分辨率可达到每像素0.3m,相当于可观测到篮球大小的物体。HiRISE拍摄的高分辨率图像显示,这些地下冰层均位于面向极地、非常陡峭、具有水流侵蚀地特征的断崖上(图2)。其中,断崖1~7位于55°S~58°S,断崖8位于54.8°NMilankovič(米兰科维奇)火山口的断崖群。

(a)断崖1,(b)断崖2,断崖恰好位于山坡与凹陷地形之间,因此而暴露出冰层的位置(图中小白框所在位置),图上方为山脉,光从左侧射入

图2  HiRISE拍摄的火星地下冰层高分辨率图像

在增强后的HiRISE彩色图像(图3)中,相对周围地形,每条断崖的颜色都偏蓝,与冰层的表现一致,表明断崖上暴露的物质中含有水冰。

(a)~(e)断崖1~5,坡向指向崖底,均为自上而下;(f)米兰科维奇火山口,坡向指向崖顶;图中,箭头所指蓝色物质的位置非常接近地表;在这几条断崖中,可以看到明显的带状和层状分布特征;断崖5显示出了鲜明的颜色变化,且有多条纵向的细小裂缝,将冰层分割开来。

图3 断崖冰层在春末或夏初的彩色横截面

为了进一步确证地下冰层,除了图像所能显示的特征之外,还需要确认断崖中的层状物质是否是水冰。火星勘察轨道器上还搭载了一台紧凑型火星勘测成像光谱仪(CRISM),主要用于探测和识别火星表面矿物类型。CRISM 的光谱范围从可见光波段(400~830nm)到近红外波段(830~4050 nm),空间分辨率为每像元15.7~19.7 m。利用CRISM探测数据,为确证地下冰层提供了数据支持。光谱特征表明,断崖1~3在夏季的光谱数据均表现出水冰吸收的特征(图4)。

谱线从上至下分别为断崖的2、3和1以及地球实验室测量的水冰光谱。垂直虚线的位置表示水冰的吸收特征中心;波长1.65 μm附近的尖峰由于仪器的影响导致。相对反射率的差异,可能由于不同区域冰层中晶粒尺寸的不同或光谱仪测量误差导致

图4 CRISM获取的断崖1~3的地下冰层光谱图

根据断崖位置的光谱数据,表明这些地区暴露的蓝色物质是冰层,而非持续性的季节性霜冻。

原因在于,首先,在所有HiRISE图像中,地下冰层位置的颜色与断崖周围地区截然不同。在高纬度地区面向极地的陡峭坡面,存在一些季节性霜冻,但地下冰层位置的颜色,与季节性霜冻升华之后的观测图像,具有明显差异。其次,根据火星奥德赛号轨道器上的热辐射成像系统(THEMIS)的观测,断崖位置在傍晚的温度高于大气的冰点温度,可以排除断崖上的物质是大气挥发物沉降形成的。最后,在断崖下的凹陷地形中,并没有出现蓝色物质,说明这些蓝色物质并不是由于当地地形而形成的霜。

地下冰层如何形成

在断崖2,科学家对比了同一地点相隔3个火星年的图像后发现:大小约为1 m的石块,其位置发生了显著变化,这是断崖退缩的有力证据(图5)。由于这些石块起源于冰层上的凸出表面,在坠落后并没有消失,因此,它们必定是嵌入到冰层中的岩石,而不是从陡峭岩石中脱落出来的碎片,也不像之前从撞击坑中溅射出来的冰块。这说明,石块位置的变动,是由于水冰升华所引起地形变化导致的。据估算,断崖上的地下冰层在每个夏季的退缩率约为几毫米。

(a)中白色箭头是指该位置的颜色比其他区域更深;(b)、(c)为(a)白色方块区域的放大图,分别为同一位置相隔3个火星年前后的图像,石块从(b)中箭头的位置跌落到(c)中的位置;(b)中从左到右白色箭头指示位置处的石块,分别滚落到图(c)中从左到右白色箭头指示位置

图5 富含水冰的断崖上石块的位置变化

综合上述特征进一步推测,这些断崖是地下冰层的起伏。虽然现在火星的自转轴倾角和地球差不多,但是资料显示:在其他行星的引力作用下,火星的自转轴倾角变化不定,最高可达60°以上,最低甚至低于10°(相比之下,由于月球的稳定引力作用,地球的倾斜角似乎只有微小的变化)。这些地下冰层形成于火星高倾角时期的降雪和霜冻,随后被压缩和再结晶,并埋藏于地下。这一观点与断崖主体的高含冰量和外观特征一致。

结 论

在火星地下1~2 m的深度,就可找到纯度非常高的水冰,厚度至少可达数十米。火星上发现的这些地下冰层保存良好,不仅记录了火星过去的演化历史,也为人类登陆火星提供了基本的生命支撑物质。

火星上被侵蚀的断崖地层结构(图6),揭示了中纬度地区距今最近的、富含冰层的垂直地质结构。断崖上的冰层可能起源于火星高倾角时期的降雪,后来经过一系列的地质过程,转变为如今的地下冰层。这些冰层最终保存在南北纬55°以上的表面风化层之下,或地下1~2 m处冷冻干燥的尘土之下。下一步,利用浅层穿透雷达进行探测,可以推测这些冰层的垂直结构。

图6  火星上被侵蚀的断崖地层结构

火星断崖上发现的这些地下冰层,是在相当长的地质时期内沉积起来的,记录了过去的火星气候变化和水冰沉积的历史。之前的火星探测任务已经证明,火星曾经有过大规模的液态水,有过比现在更为温暖湿润的气候,这说明火星历史上曾经有比现在浓厚得多的二氧化碳大气层,这样才能实现火星表面有大规模液态水所要求的温室效应。但是,火星大气中巨量的二氧化碳来自哪里,后来又到哪里去了?火星上大规模的液态水又源自何处,消失后的液态水又去哪儿了?这些疑问,都要从地下冰层等历史沉积物中寻找蛛丝马迹。而探索火星气候演化规律的努力,也将为了解地球气候变化提供参考。

在太阳系内,火星是人类了解最为透彻的行星,也是唯一有可能实现大规模移民的星球。根据航天科技的发展现状和各国规划,预计2030年左右,人类将实现载人登陆火星的梦想。之后,将朝着建设火星基地、改造火星、移民火星的路径逐步前行。火箭重复利用技术已经突破,新一代重型运载火箭、新一代载人飞船已经研制多年,即将成功,这些努力将使“开辟从地球到火星的廉价航线”成为可能。人类登陆火星时,将选择在离水源较近的“宜居带”,挖掘地下浅层的水冰,对它进行净化等简单处理后,变成可以直接利用的水资源。这些水源,使就地烧砖、生产辐射防护材料等火星资源原位利用成为可能,使在火星上生产食物、氧气等生命支撑物质变得更容易,从而大大降低建设火星基地的技术难度和经费代价。在中国,北京航空航天大学开展的“月宫一号”已经开展多轮试验,闭合度达到了97%100%的氧气和水、55%的食物实现了循环再生,为中国参与国际合作将来实现载人登月和登陆火星奠定基础。

人类希望移民火星(图7),并不是因为火星比地球更美好,而是因为地球上的生命曾经多次大灭绝,人类未来也将面临许多重大天文灾难。移民火星,是人类为了在太阳系中永续生存所必需付出的努力。

图7  地球(左)与火星(右)

参考文献(略) 

作者简介:郑永春,中国科学院国家天文台,研究员,研究方向为月球与行星地质。

本文发表于《科技导报》2018 年第6 期,敬请关注


(责任编辑   王丽娜

《科技导报》

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