火星發現大型地下湖泊！火星水探測，科學家都用過這些法子

原標題：火星發現大型地下湖泊！火星水探測，科學家都用過這些法子

出品：科普中國

製作：太空精釀

監製：中國科學院計算機網路信息中心

昨天夜間，新一期的《科學》雜誌公布了一個大新聞：歐空局的火星快車號探測器在火星南極極冠之下1.5千米處，發現了一個直徑達到20千米的地下水富集區域，極有可能是個巨大的湖泊，相較而言杭州西湖最寬處僅僅3.2千米。火星地下湖的發現，是探測火星歷史上里程碑式的重大發現。

發現地下湖的火星南極極冠

1. 大量水源的發現意味著什麼？

水是生命之源，大量的水極有可能孕育生命，地球上生物多樣性已經足夠說服所有人相信生命的無窮潛力，畢竟地球上大洋底部的火山口環境中都能孕育各種生命，更別提地球上還有近800種生命力極其強悍的水熊蟲物種（沒聽說過的讀者可以搜索下，感受下這物種的可怕！），火星這個地下湖的條件也可能孕育。

大洋底部的火山口溫度極高、幾乎沒有氧氣，但依然有生物廣泛存在於周邊

火星南極極冠附近長期處於酷寒狀態，絕大部分是二氧化碳乾冰，地下湖所在的位置溫度也低至-60度左右，沒有結冰、很高的導電率說明水中富含各種鹽類，是高濃度滷水。

按照此前好奇號火星車的研究，火星上高氯酸鹽並不罕見，那麼這個水湖中很有可能溶解了大量的高氯酸鹽，而中學知識告訴我們，加熱氯酸鉀就能產生氧氣。同時，水本身是一種優秀的能量轉換介質，電解（例如使用太陽能和核能）產生氫和氧都是人類所亟需的，氧氣可用於呼吸，液氧液氫也是重要的火箭燃料。

液態水、僅僅極冠之下1.5千米深，這意味著利用起來難度並不大，同時還有一個重點：這只是發現的第一個。

2. 誰發現的？

科學家們的分析數據來自歐空局第一個火星探測器火星快車號。它主要得名於2003年的6月的發射窗口是6000萬年以來火星與地球之間達到的最近狀態，只需要半年左右即可抵達（6月2日出發12月25日聖誕節抵達），猶如快車一般。不過時間一晃過去了15年，它的軌道器至今依然在火星工作。

火星快車軌道器和小獵犬二號著陸器

此前的美蘇/俄探測實在遭遇過太多不幸的失敗，歐洲人並沒有把所有的雞蛋放在一個籃子里，這顆探測器的預算也相對較少，僅為3.5億美元左右。為了節省成本，這個火星快車和歐空局的另外兩個重要任務--探測彗星的羅塞塔號、探測金星的金星快車號--使用基本一樣的衛星平台。它還盡量實現低成本、多功能，搭載了一個英國主要負責研發的小獵犬二號火星著陸器，這個小獵犬二號與當年兩次載著偉大生物學家達爾文發現物種起源和進化論的帆船同名。歐洲人對這次任務的期待可想而知。

不過很不幸，小獵犬二號成功降落火星後並沒有正常工作。《變形金剛》系列電影也向這位偉大的人類使者致敬，在電影開頭中小獵犬二號是在火星被邪惡勢力霸天虎的紅蜘蛛發現並破壞，紅蜘蛛也因此發現了小獵犬二號就來自隔壁的地球，最終將《變形金剛》的戰火燒到了地球！

3.科學家們都有哪些手段在火星發現水？

歷史上人類共有55個火星探測任務，但是成功率只有可憐的53%，毫無疑問，幾乎每一個任務都將發現水作為一個重要研究方向。通常來講，探測火星任務主要有三種：軌道器，飛在空中；著陸器，降落定點勘察；火星車，可以移動。不同的任務也能在不同的維度進行分析，對水的探測技術大概有如下幾類：

遙感拍照。NASA的軌道偵察器（2005工作至今）攜帶了一個口徑高達0.5米的高精度觀測相機，它可以對火星實現解析度0.3米的高清繪製，它曾經在2011年拍到過滷水在斜坡上匯聚成溪流的壯觀景象。

軌道偵察器拍到的大量水流痕迹

氫原子全球監控。NASA的奧德賽號軌道器（2001工作至今）藉由探測儀器發現了氫原子在火星地下大量存在，尤其是在火星兩極底部、奧林帕斯山山坡等地，空氣中的氫原子含量甚至在周期性變化，這是最早坐實火星上廣泛存在水的軌道器。後來的NASA大氣專家任務、歐洲的ExoMars任務都豐富了這個分析。

雷達。本次的重大發現就由歐洲的火星快車號（2003工作至今）上雷達完成，通過分析雷達回波研究土壤介電常數，當乾燥的土壤中出現大量的水分時介電常數自然會大幅上升。火星快車已經收集了十幾年數據，目前只是分析了星下軌跡最多的極地地區，這必將激勵科學家們進一步分析其他區域。

可以明顯看出雷達探測到的介電常數在這片區域出現巨大變化

光學和紅外光譜儀。NASA的奧德賽號通過採用這種方式重點分析了兩極的冰冠，畢竟冰的形成夾雜著沙塵，它的研究結論證明極地地區覆蓋有85%的乾冰和15%的水冰，總量和格陵蘭島相媲美，後來的各個任務也確認此發現。

物理分析。這種研究需要接觸到土壤，就只有著陸器和火星車能夠完成，目前成功實現著陸的全部是NASA任務，70年代的兩個海盜號著陸器、90年代末的探路者著陸器和旅居者號火星車、21世紀的鳳凰號著陸器、勇氣號火星車、機遇號火星車、好奇號火星車，它們可以直接分析土壤中水分含量，鳳凰號更是挖出了冰塊。它們基本證明火星地表土壤水含量在2%左右，而更深處這個比例更高。

鳳凰號挖到的冰塊出現明顯的融化趨勢

中子反照設備。這是好奇號火星車的獨門絕活，它會不斷向土壤發射中子束，分析中子與氫原子核為主的能量反應，從而得到土壤不同深度氫原子（水和潛在有機物）含量。它降落的蓋爾撞擊坑已經存在了35億年且接近火星赤道地區，本應非常乾燥，但這裡的深層土壤依然廣泛發現了水分的存在。

輔助分析。火星上先後發現了黏土、非常圓滑的礫石、成片出現在地勢較低處的鹽分、含鐵化合物的水合物、小型溝渠等，這些都印證了火星必然曾經廣泛存在水流。

然而，這些研究都指向歷史上存在的水和痕迹，僅存的水實在少得可憐。後續的研究結論更讓科學家們失望：火星已經基本內部冷卻不再活躍、進而逐漸停止地質運動，這意味著地表的空氣和水已經沒有補充；內部冷卻磁場消失，沒有了庇護大氣和水的的保護傘，太陽風依然在不停剝離這些寶貴資源。

但是，今天的發現告訴我們：人類還不算晚，因為火星深層依然存在大量的水，甚至這種湖泊可能在別處存在！這意味著新的希望！

人類派到火星的使者們合影

直到今天，火星依然有共計8個探測器（美國5個，歐洲2個，印度1個）在工作，今年五月新發射的NASA洞察號探測器也正在飛往火星途中。而到了2020年，美國、中國、歐盟、印度等國又將掀起新一波探測高潮，我國也將挑戰一次實現軌道器、著陸器和火星車的複雜任務。希望這些探測器為我們帶來更多研究結論，載人登陸火星的意義也會顯著增強。

也許我們距離發現火星生命，真的只差下一個研究。

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