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火星地下冰层有了最新发现

撰文 | 鞠    强
责编 | 李晓明
 
今天出版的《科学》杂志报道,火星地下冰层有了最新发现。
 
在各类火星研究中,最受瞩目的就是对火星上的液态水或者固态水冰的研究。这直接涉及几个关键问题:一是火星上是否有生命,或者火星上是否存在过生命;二是火星是否是人类移居地外的合适目的地,或者能否成为人类星际旅行的中转站;三是相关研究可以重建火星的气候历史,加深我们对行星演化的认识,为研究地球气候变化提供参照。这是基于这些关键问题,大部分的火星探测计划都把对火星水和冰的研究作为重点。
科学家通过研究已经发现,火星表面三分之一的面积上覆盖着浅层地表冰。他们从理论上提出了对于地表冰的成分和厚度等问题的见解,并通过轨道观测获得了丰富的数据。但是对于火星的地下冰层,科学家却知之甚少,分层、厚度和成分等关键信息几乎还是未知。比如说,他们对火星地表下几米和更深处的冰的起源和年代是否相同并不清楚,因为较上层的冰很容易受到近期气候的影响而发生变化。
 
不过,一项最新研究正为我们揭开火星地下冰层的神秘面纱。2018年1月12日,一个由美国多个大学和研究机构组成的研究小组在《科学》杂志上发表论文,公布他们研究火星地下冰层的最新发现。这个研究小组使用NASA的火星勘测轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter,MRO)上搭载的高清晰度科学实验成像(High Resolution Imaging Science Experiment,HiRISE)仪器对火星表面进行观测,发现了火星地下冰层的垂直结构。
 
具体来说,他们发现在火星中纬度(大约南北纬55度)的广阔地区覆盖着厚厚的沉积冰层。发生在这些地区的侵蚀作用产生了很多陡峭的斜坡,从而显露出冰层的内部结构。而由于暴露出来的冰层的升华作用,这些陡坡也在快速后退中。
 
他们选择其中的8个地点进行研究,其中7个分布在火星的南半球,1个在火星的北半球。在经过色彩增强的HiRISE图像中,每个斜坡与周围的地形相比都呈现出相对明显的蓝色。通过使用MRO搭载的火星紧凑侦查成像光谱仪(Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars ,CRISM) 获得的数据,科学家还发现其中的3个地点有水冰特征。
 
大面积的水冰沉积出现在火星中纬度地区并不奇怪。火星公转轨道平面与火星赤道平面之间的夹角过去曾经比较大(超过40度),在这样大的倾角下,冰可能会在赤道附近积累。当火星的倾角降到目前或者更低数值时,赤道冰会升华,并重新在两个半球(相对赤道地区)纬度更高的的地区沉积。研究人员认为,这次发现的沉积冰层就起源于这种机制所带来的降雪,随后被不断压实成为紧致、分层的冰层。
 
他们在论文中指出,通过对这些地点的研究,多个证据显示这次发现的陡坡是地下冰层的暴露而不是季节性霜冻。通过测算他们还认为,在火星地表下1-2米的浅层即能发现的水冰沉积,向下延伸的厚度可以超过100米。这些斜坡呈现出的冰层沉积,可以为科学家提供对火星过去气候情况的记录,成为科学家研究火星历史的“冰年轮”。科学家发现这些沉积的深度非常浅,使得未来的火星探索项目可以比较容易地对这些沉积进行实地勘测和分析。
 
这次发布的论文的第三作者、约翰·霍普金斯大学地球与行星科学系博士后Lujendra Ojha是一位值得我们注意的学者,因为他的求学和工作经历堪称近几年火星研究的一个缩影。
 
2015年9月28日,NASA在位于华盛顿的詹姆斯·韦伯礼堂举行新闻发布会,宣布科学家发现“火星上存在液态水”。NASA行星科学部主任Jim Green在那场新闻发布会上表示:“30亿年以前,火星有着浓厚的大气层,表面有着巨大的海洋,但是由于某种原因,火星经历了剧烈的气候变化,失去了地表水。今天我们将彻底改变人类对火星的认知,在某些特定的情况下,火星表面存在液态水。”这一成果在线发表在Nature Geoscience上。
 
 
虽然当时NASA有意对新闻发布会的内容保密,以制造悬念、吸引媒体和公众的关注,但业内科学家还是猜到了会议主题,原因就是当时正在佐治亚理工学院读博士的Lujendra Ojha也出席了会议。早在2011年,当他还是亚利桑那大学的一名本科生的时候,他就利用HiRISE拍摄到的图像对火星一些陨坑坑壁上出现的深色条纹开展研究。这些深色条纹呈现季节性变化,一般在火星的春季开始出现,在整个夏季变得越来越明显,在秋冬季逐渐消失。Lujendra Ojha和同事把这种条纹称作“季节性斜坡纹线”(Recurring Slope Lineae,RSL)。
 
研究人员认为这些条纹是由火星表面液态水的流动所形成的。如果水中溶解了盐类,那水的凝固点可以显著降低。这样在火星表面的低温条件下,水仍然可以以液态的形式存在。他们将有季节性斜坡纹线存在的地区的光谱同高氯酸镁、氯酸镁、氯化镁以及高氯酸纳等物质的光谱进行比对发现,前者和后者的光谱特征相符合。这样就可以确认这些地区含有可溶性盐类,并为火星表面存在液态卤水提供有力证据。
 
从发现液态卤水到发现地下冰层,Lujendra Ojha一直参与其中,科学家也在不断了解火星上的水和冰。但是,我们也要认识到,目前距离“发现火星生命”或者“移民火星”依旧很遥远。正如NASA火星探测项目首席科学家Michael Meyer曾经说过的那样:“即使在火星上发现液态水,我们也不知道火星上有没有生命,事实上我们甚至不知道我们究竟在寻找什么,因此我们转而去寻找那些能够让生命存在的环境。”
 
参考文献
[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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