[太阳系] 专家解读:NASA如何发现火星液态水?


  出品:科普中国


  制作:中国科学院国家天文台 郑永春


  监制:中国科学院计算机网络信息中心


  要达到好的宣传效果,要先吊足胃口——美国国家航空航天局(NASA)的宣传主管显然深谙此道。相信很多人仍对今年7月NASA另一个地球的“重大发现”记忆犹新,9月28日晚,NASA再度抛出“火星之谜已解开”的重磅新闻。虽然并非我们想要的发现“火星人”那种大发现,不过这次新闻发布会的成果确实有所不同,也足够分量:光谱证据显示,火星上现在就有液态水。


  火星上一个面向西部的贾尼撞击坑(Garni)坑壁上的季节性坡纹


  火星Coprates Chasma地区东北向倾斜的季节性坡纹(NASA / JPL-Caltech / University of Arizona)。图中黑色箭头所指部位显示了水流冲刷的痕迹。影像数据源自MRO上的HiRISE高分辨相机。右上角的小图为局部区域的放大图


  发布会上的关键人物


  早在新闻发布会举行之前,很多人从NASA预告将出席发布会的人员名单中,已经非常准确地猜到即将公布的“重大发现”是什么了。因为参加发布会的人员中有一位博士生Lujendra Ojha,他的出现给大家一个很强烈的信号,因为正是他发现了火星上的季节性坡纹,表明火星上可能存在发现液态水流。


  Lujendra Ojha(个人网站:http://www.lujendraojha.net/)目前仍是美国佐治亚理工学院的一名在读博士生,酷爱摇滚乐,预计明年才毕业。2011年,当他还是亚利桑那大学的一名本科生时,从火星勘测轨道器拍摄的高清图像上,发现一些撞击坑的坑壁上存在暗色条纹。Lujendra Ojha把这些条纹命名为季节性坡纹(recurring slope lineae,RSL),认为可能与水流作用有关。


  NASA本次新闻发布会,源于Lujendra Ojha作为第一作者发表在《自然?地球科学》上的一篇论文《火星季节性坡纹中发现水合盐类的光谱证据》。这篇论文于今年4月22日投稿,经过一番审稿和修改之后,最终于今年8月21日被同意接收。9月28日,这篇文章被挂到网上在线发表。


  在这篇文章在线发表的同时,《自然?地球科学》网站发布了这篇文章的新闻稿,当然,编辑部并没有预料到这条论文会被NASA炒作成一个大热点,杂志社的华人编辑也没有把新闻稿译成中文以飨国内读者。


  火星上Melas Chasma地区扇形细颗粒物质上发育的季节性坡纹(NASA / JPL-Caltech / University of Arizona),彩色影像源自MRO上的HiRISE高分辨相机


  拍摄于不同时间的同一地区影像,显示季节性坡纹有时出现,有时消失据推测


  什么是季节性坡纹?


  季节性坡纹是一种颜色较暗(即反射率较低)的狭长条纹,在火星表面相当活跃。Lujendra Ojha发现,当气温上升时,季节性坡纹开始形成并发育壮大,一般在:当气温下降天气寒冷时,这些坡纹又会消失不见。即一般从春季开始出现,在整个夏季变得越来越明显,到秋冬季节逐渐消失。


  多年观测发现,季节性坡纹一般在同一位置反复出现。据推测,这一神秘的地质现象可能与流水有关,直接关系到火星上现在是否有水这一重大命题。Lujendra Ojha和他的同事们一直在利用搭载在多颗火星轨道器上的科学仪器获得的遥感数据,研究这些季节性坡纹形成的地质过程或水文过程,解释其成因。这次,他们终于找到了证据。


  水合盐类的光谱证据


  简单地说,这次发现的主要成果,就是利用搭载在火星勘测轨道器上的高分辨率成像科学设备(HiRISE)和紧凑型火星勘测成像光谱仪(CRISM)获得的数据,发现了火星上存在水合盐类的光谱证据。


  光谱分析是行星遥感中的常用手段。由于每种元素都有自己的特征谱线,因此根据光谱特征可以识别目标物质的成分。Lujendra Ojha为什么能从光谱数据中分析出火星表面有水呢?


  首先,他利用HiRISE获得的高分辨率照片,识别出季节性坡纹所在的位置;然后,从CRISM的探测数据中提取这些位置及其周围区域的光谱,绘制成下图中的谱线。这些谱线中向下凹的地方称为“吸收峰”。由于季节性坡纹的光谱与水合盐类物质的光谱具有相同的吸收特征,推测季节性坡纹中存在水合盐类;最后,根据季节性坡纹中光谱监测到的水合盐类含量的变化,可以确定这些季节性坡纹是由水流作用形成的。


  火星海拉斯盆地中发育的冲沟,宽1-10米(MRO于2011年1月14日拍摄,REUTERS/NASA/JPL-Caltech/Univ。 of Arizona/Handout)


  季节性坡纹发育地区的光谱分析


  上图中,a和b中的彩色方框为光谱测量的区域;c为光谱测量结果,不同颜色的谱线分别对应于a和b图中不同的测量区域。d为地面实验室内测得的各种含水盐类化合物的谱线。


  由上图可以看出,季节性坡纹中的物质在1.48微米、1.9微米和2.14微米处有明显的吸收峰。其中,所有区域在1.9微米谱段都有明显的吸收峰,这一位置的吸收峰与地面实验室测得的高氯酸盐的光谱特征一致。


  此前,高氯酸盐类物质已经在火星上的多处地点被发现,这次的发现增加了火星上存在宜居环境的可能性,下一步NASA科学家致力于研究这些卤水的来源及其储量。


  火星Horowitz撞击坑中央峰上的季节性坡纹活动及其光谱特征


  上图中,a为源自Horowitz撞击坑中央峰基岩的季节性坡纹(HiRISE影像,摄于第28个火星年),b为同一HiRISE影像中另一中央峰上的季节性坡纹(比例尺同a)。c图中的两条黑色谱线分别为CRISM测得的图a和图b中方框区域的光谱,彩色谱线为火星土壤光谱与各种盐类光谱混合的结果,从上到下依次为火星土壤与高氯酸镁、高氯酸钠、高氯酸钙的混合光谱。


  火星上Hale撞击坑中央峰的季节性坡纹及其CRISM光谱


  a为Hale撞击坑中央峰的季节性坡纹,上北下南,太阳光从左侧照入,影像源于HiRISE相机,摄于第31个火星年。b为a图中方框区域的红外光谱。


  火星上Coprates Chasma地区观测到的季节性坡纹、冲击扇及其CRISM光


  图中,a为Coprates Chasma地区源自基岩的季节性坡纹,黑色箭头为可能与水流作用相关的冲击扇。b中的彩色方框与a为同一区域。c中不同颜色的光谱对应a中方框区域的测量结果。


  低温卤水具流动性


  火星与太阳的平均距离约2.279亿千米。表面干燥、寒冷,且大气稀薄。火星的表面温度随地理位置、一天中的时间以及表面性质而变化。在黎明前温度最低,然后迅速升高,正好过中午后温度达到最高值,然后在下午迅速下降,随后慢慢地下降到黎明的低值。


  由于火星轨道的偏心度,火星南半球夏季最高温度大约比北半球高30K,在很宽的纬度范围内都超过了273K,最高温度记录是仲夏季节的中午,在南纬25度处,记录到295K的最大值。最低温度是仲冬时节,南极极冠的温度可降到140K。在表面以下几厘米深度,日平均温度为210~220K;在冬季极区,温度降低到150K。


  表面温度随天、季节和纬度有很大的不同,夏季最高温度可达17℃,但平均日温不超过-33℃。由于大气层很薄,日温度变化100℃是很平常的。在南北纬50°以上的极区,整个冬季的温度都很低(低于-123℃),使大气的主要组分CO2冻结成白色沉积物,形成极冠,由于极冠的季节性循环,表面总气压波动达30%。


  由于火星表面气温往往低于纯水的冰点,因此纯净的液态水在火星上很难存在,而高氯酸盐的存在降低了水溶液的冰点。一般加入铵盐后的水溶液,冰点可降低至约零下40摄氏度,实验室中经过优化后的配方,水溶液的冰点可降至约零下80摄氏度。因此,即便在远低于零摄氏度的低温下,火星上的卤水也有一定流动性。


  此外,由于水溶液中的高氯酸盐含量高,密度大,火星上的低温使水溶液黏度大。因此即便是液态,水溶液的黏度也可能上升2-3个数量级,就像我们办公室使用的胶水,流动性较差。这也是虽然在火星上观察到大量季节性坡纹,却至今没有找到液态水流的原因。


  高氯酸盐有毒


  迄今为止的多个火星探测器在火星表面探测到了碳酸盐、硫酸盐、氯化物等一系列地球上常见盐类矿物。遥感光谱及高分辨率相机的探测数据表明,火星北半球高纬地区分布着大量以石膏为主的硫酸盐,中低纬度地区的水手峡谷及附近低地广泛分布镁、钙硫酸盐;火星南半球中低纬度高原地区存在分布广泛的氯化物。


  除了遥感测量外,机遇号、勇气号、凤凰号、好奇号等火星车在着陆区附近发现了一系列蒸发盐矿物。凤凰号着陆后在机械臂上冷凝的液体中探测到大气沉降形成的高氯酸盐,并发现火星近地表可能含有高浓度的卤水。


  此次成果发布会上展示的火星液态水正是高氯酸盐为主的卤水。


  高氯酸盐有毒性,会致畸。人体摄入高氯酸盐将抑制碘吸收,削弱甲状腺功能对婴幼儿也有致畸作用,会产生面部溃疡。


  即便如此,有水总比无水好,哪怕是有毒的水,也远远比付出高昂代价从地球上运水要好得多。水是生命之源,火星上的水资源实在太珍贵了,没有水航天员在火星上将完全无法生存。虽然水在太阳系中非常丰富,火星上也曾经有过大规模的水,以及许多河流和湖泊。但此前在火星上还没有找到可用的水源,航天员生存所需的水需要就位生产或从地球上带去。地球上已经成熟的海水淡化技术和国际空间站的水循环利用技术,大大增加了人类在火星上就位取水的可能性。在国际空间站,不会有任何一滴汗水、眼泪或尿液被浪费,利用再生水回收系统,太空舱内收集的水分经过过滤、净化后循环利用。有位航天员曾经形象地说过,在国际空间站上,我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。


  富含高氯酸盐的液态水的发现增加了火星上存在宜居环境的可能性,下一步NASA科学家致力于研究这些卤水的来源及其储量。火星上是否存在或曾经存在过生命物质的问题一直以来是火星探测的热点与重点。由于直接探测生命存在技术困难,因此寻找火星上具备生命物质产生、生存与发展的环境条件成为解决问题的关键,旨在回答水的存在、水体发育程度、气候条件、土壤中微生物等。


  根据地球的经验,只要有液态水并且有一定的热量,几乎肯定可以有生命存活。此次发布的重要成果,为下一步在火星上寻找生命提供了希望。当然,火星上的生命肯定只能是低等的微生物。


  注:文中所有图片来自NASA。


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太阳系 专家解读 NASA 如何 发现 火星 液态

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