出品|新浪科技《科学大家》
撰文|郑永春中国科学院青年创新促进会会员、科普中国形象大使、中国科学院国家天文台研究员
火星快车号（Mars Express）
火星距离地球最近约为5500万公里，最远达4亿公里，是太阳系中与地球最为相似的行星，也是唯一经改造后适合大规模移民的星球。中国首次火星探测任务将于2020年实施，将在一次任务中同时实现对火星“环绕、着陆、巡视”探测的目标。探测器发射后经过约7个月巡航飞行，被火星捕获，环绕器环绕火星飞行后与着陆巡视器分离，然后进入任务使命轨道开展对火星全球环绕探测，同时为着陆巡视器开展中继通讯。着陆巡视器与环绕器分离后进入火星大气层，经过气动外形减速、降落伞减速和反推发动机动力减速，最后下降着陆在火星表面。火星车驶离着陆平台后，将对火星的形貌、土壤、环境、大气等展开巡视探测。中国火星探测工程将使我国在探月工程之后，开展真正意义上的行星探测。
2018年7月27日，恰逢火星大冲，火星与地球之间的距离达到最近，是从地球上观测火星和发射火星探测器的绝佳时机。正当全球关注火星的时候，《科学》本周抛出火星研究的新发现——火星南极冰盖下发现20公里宽的液态水体。
找水，是为了寻找生命
没有水，就没有生命。科学家一直在太阳系其他行星上寻找液态水，目的就是寻找外星生命。
航天时代以来，人类对火星进行了45次探测，积累了大量的探测资料。火星，已经成为人类除地球以外了解最为透彻的行星。火星探测器获得高分辨率图像，可以分辨出直径30厘米以上的物体。根据这些资料，科学家发现，火星上有大量干涸的河谷和湖泊，这些地貌证明，火星在历史上一定有过大量的江、河、湖、海。他们甚至在一条干涸的小溪中发现了很多鹅卵石，据此推测出当时溪流的深度和流速。
历史上即便有再多的水，也不如现在去发现有没有水。于是，科学家发现了火星大气层中含有少量水汽，而地表也发现了一些水冰。
冰再多，也不能繁衍生命，我们更希望能够发现液态水。于是，科学家在凤凰号着陆器的着陆腿上，观察到了冷凝的水滴——露珠。火星夏季的赤道地区，在一些斜坡上，发现了一些奇怪的暗色条纹，可能是融化的液态水，但只是季节性出现，这还不够。
地球的南北极有冰盖，火星上南北极也有冰盖。30多年前，就有科学家提出假设，认为火星极地冰盖下面可能存在液态水体，但一直没有得到证实。
要有生命，就要有稳定的液态水体，但火星上一直没有发现。
本周的《科学》杂志，发表了意大利科学家Orosei领衔的团队的最新研究成果。他们分析了火星快车号探测器的雷达数据，发现火星南极的冰盖下1.5公里深处，有一个巨大而稳定的液态水体。
火星南极的冰盖下1.5公里深处（黑色正方形区域），有一个巨大而稳定的液态水体。
极冷的天气，仍可能存在液态水体
地球上的南极，尽管年平均气温在零下60°C左右，但在冰层之下仍然有湖。
冰盖可以起到隔热保温作用，使湖水与寒冷的地表隔绝。地球南极的冰盖厚度达4.8公里，冰层的压力可以降低水的冰点，冰盖底部的温度可以允许液态水体存在。
南极冰盖下面的液态水体，就是用雷达波探测到的。雷达主动发射电磁波，并接收反射的回波。不同频率的电磁波具有不同的穿透能力，频率越低，穿透的深度越大。当电磁波通过冰层向下传输时，它们会在不同物质之间的界面反射回波，如冰层与基岩、含水的泥沙、液态水体之间的界面，都会反射回波。雷达沿着飞行轨道前进，不断地进行测量，获得地下的图像。因此，雷达是探测地下物体的重要手段
现在，这种在地球南极证明有效的探测手段，被Orosei等应用到了火星上。由欧洲空间局主导的火星快车号探测器，在火星上空已经环绕飞行了12年，上面正好搭载了一台低频探测雷达。科学家们收集了2012年5月至2015年12月期间3年多的雷达探测数据，识别出一个20公里宽的异常明亮的反射体，而且在多个飞行剖面都存在。他们排除了许多可能的解释，最后认为，这个反射体唯一的可能，是液态水体或含水的饱和泥沙沉积。
新发现的液态水体位于火星南极，中心位于东经193°，南纬81°附近。通过定量分析雷达信号发现，该特征的相对介电常数大于15，远远大于岩石和冰层的介电常数，而与含液态水物质的介电常数相当。
火星南极比地球上的南极洲更寒冷。火星南极冰盖底部的温度约为零下68°C左右，因此，1.5公里厚的冰盖下，是不可能存在纯净的液体水体的。但是，含盐的液态水体仍然可以存在。
也就是说，这次发现的液态水体是一个盐湖，像前几次发现的液态水一样，仍然是卤水。这是因为，如果在水中溶解了大量的盐，水的冰点就会低得多。在地球上就发现了这样的盐水湖，在南极麦克默多干燥的山谷中，水的盐度为200。在那里，零下13°C，水仍然没有结冰，仍然保持液态。相比之下，海水的盐度介于32和37之间，零下2°C时就会结冰。
在火星表面，科学家此前已经发现了钠盐、镁盐、钙盐，水中如果含有这些盐类物质，可以将水的冰点降低到零下74°C。当位于冰盖底部时，由于盐类的存在，液态水体可以稳定存在。
天啊，74°C都不会结冰的水，该是多么浓的卤水啊。此前，凤凰号着陆腿上的露珠，以及斜坡上季节性冻融的液态水，都证明水中含有盐类。
雷达回波探测到的液态水体（图中黑色三角形圈出的地区）
液态水体导致了南极冰盖移动吗
火星距离地球最远达4亿公里，是太阳系中与地球最为相似的行星，也是唯一经改造后适合大规模移民的星球。中国首次火星探测任务将于2020年实施，将在一次任务中同时实现对火星“环绕、着陆、巡视”探测的目标。
在这次的新发现中，科学家推测，火星南极冰盖下稳定的液态水体中，含有高浓度的高氯酸盐。盐水可以与基底的泥沙混合形成污泥，或在基岩上形成局部的盐水池。这样高浓度的盐水中，可能会有生命吗？我们仍然不得而知。根据我在青海看到的大量盐湖推断，这些盐湖中，显然不可能有鱼这样的大型生物，但一些耐盐碱的微生物仍然是可能的。
这次发现的液态水体很大，宽20千米，相当于中蒙边境的贝尔湖的大小。长白山天池宽才3.37千米，显然要比天池大好几倍。随着中国、美国等国家开展新一轮的火星探测任务，有望获得高分辨率的雷达探测数据，有可能探测到更小面积的液态水体。
与地球上的冰盖一样，火星极地冰盖也是经历了数千万年才累积起来的。冰盖的生长和收缩，记录了火星的气候变化历史。这次在冰盖下面找到液态水体，对将来利用冰盖解读火星气候变化历史十分关键。由于冰盖底部水的摩擦力降低，将使水的流速增加，从而导致冰盖移动。火星冰盖的移动到底是什么原因导致的，是冰层的变形，还是冰盖根本就没有移动？这一问题有待于未来的探测任务来回答。
对于那些质疑将来火星移民可能性的人，我想强调一下，目前至少可以明确的是，火星上并不缺水。
很可能，人类移民火星不是梦。你，有这个打算吗？
延伸阅读：火星找水全记录
进入航天时代以来，美国人毫无疑问是火星探测的宠儿。他们不仅保持着极高的成功率，而且接二连三的重大科学发现使美国至今保持着全球深空探测的领导地位。
1976年着陆火星表面的“海盗1号”和“海盗2号”是火星生命探索的先驱，其主要目标是探索火星上有无生物，希望通过生物科学实验直接确定火星红色土壤中是否存在生命，但结果并没有获得火星生命的证据。
进入新世纪以来，人类先后发射环绕火星的轨道器、着陆在火星表面的着陆器、巡视探测的火星车，开展了高分辨率的地形地貌成像，并运用了雷达探测、光谱、质谱和中子分析等多方面探测手段，获得了流水侵蚀、河流冲击扇和三角洲等地貌特征，发现了水成矿物和盐湖沉积、沉积岩石地层，以及极地冰盖、大气中的甲烷和水蒸气等系列证据，证明火星表面曾经有过大规模的水体活动，暗示火星曾经有过适宜生命繁衍的环境特征，并可能发育过生命。
2001年，奥德赛号发现水流痕迹：奥德赛号的全称是2001火星奥德赛探测器（2001 Mars Odyssey），于2001年4月7日发射升空，同年10月24日到达火星轨道。这是一颗环绕火星进行探测的轨道器，利用火星大气阻力进行减速以进入环绕火星轨道。2002年1月，奥德赛号气阻减速完成，同年2月19日开始科学任务。
奥德赛号耗资约2.97亿美元，由洛克希德·马丁公司研制，主要承担火星探测漫游者（机遇号和勇气号火星车）、凤凰号着陆器与地球之间的通信中继任务，同时探测数种元素的全球分布及其含量，寻找火星表面水与火山活动的痕迹。
2003年，机遇号和勇气号发现粘土矿物：机遇号和勇气号是一对“孪生兄弟”，于2003年年中发射升空，2004年1月降落在火星，最初“工作任务”是完成3个月火星探险，到2013年8月已离开地球10周年。勇气号于2010年停止工作，而机遇号依旧孜孜不倦，不断发回探测成果。
2013年5月，机遇号火星车在一块岩石中分析发现了丰富的粘土矿物。粘土矿物是水与岩石发生长期反应，导致岩石的化学成分发生重大改变而形成的，这说明曾经有大量的水流经并浸泡这块岩石。
这块名为“埃斯佩朗斯6号”的岩石表面覆盖着尘埃和杂质，机遇号一共尝试了7次，才磨掉表层物质，进而分析石块内部的物质组成。这块岩石中的粘土矿物富含铝，非常类似于地球上的微晶高岭石，说明当时流经岩石缝隙的水是中性的。埃斯佩朗斯6号形成于火星历史最初的10亿年，是机遇号检测过的最古老岩石。
机遇号此前分析过多块岩石，虽然也都发现火星曾经有过湿润环境，证明火星上曾经有过水体活动。但是，这些水体大多是酸性的，而生命的进化和繁衍需要一个中性的环境，在酸性环境中很难通过化学反应转化为生命。此次，机遇号发现可饮用的中性水，成为可以支持生命诞生的重要证据。
2004年，火星快车发现曾经的海岸线和沉积物：如今的火星表面类似于地球上的戈壁滩，是一片不毛之地。但已有证据显示，火星上曾经两度存在海洋。大约40亿年前，随着气候逐渐变暖，埋藏在地下的大量冰融化后涌出地面，形成了最早的火星海洋。之后环境恶化，液态水逐渐退回并冻结于地下。另一次火星海洋则出现在30亿年前。
2004年欧洲空间局发射的火星快车，获得了火星的可见光图像数据、矿物分析数据，以及大气观测结果，证明火星曾经有水。但是，曾经庞大的火星地表水体后来到哪里去了呢？
2012年2月，火星快车上的雷达探测结果展示了火星地表以下60~80米的情况，发现北部平原的地下存在一层低密度物质，可能是某种富含冰的沉积物。这层低密度物质让人不由地联想到地球海床中也有类似的沉积物。更重要的是，这层物质正好位于此前任务发现的火星海岸线以内。这说明火星干涸的北部平原在数十亿年前可能是一片汪洋，如今的红色行星可能曾经是一个蓝色星球。
火星的北部平原在数十亿年前可能是一片汪洋（左），火星快车探测器发现的“海床”沉积物恰好位于火星的古海岸线以内（右）。
雷达探测在火星北部平原发现了一层低密度物质
2005年发射的火星勘测轨道器发现仍在流动的液态水：火星勘测轨道器的高分辨相机在火星表面发现了季节性坡纹，这是一种颜色较暗（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。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。这说明，即便在远低于零摄氏度的低温下，火星上仍然存在富含高氯酸盐的卤水，并且具有一定流动性。
2008年，凤凰号发现土壤中的水：2008年5月25日，凤凰号在火星北半球的北方大平原着陆。它在北极附近的永久冻土带采集和分析火星土壤样本，进行了5个月的成功探测，首次证实火星上确实有水存在。凤凰号还发现了火星土壤中含有高氯酸盐，这是许多微生物赖以生存的化学物质。
凤凰号着陆器有一个高温炉和质谱仪的结合体——热量和挥发气体分析仪，用来分析火星土壤样品。机械臂于2008年5月31日首次接触火星土壤，挖掘的土壤样品被送到该仪器的高温炉中密封并加热。当温度加热到0摄氏度时，质谱仪检测到了水蒸汽，证实火星土壤中含有水冰。凤凰号上的相机甚至在着陆腿上观察到了露珠，说明火星大气中含有水。当高温炉持续加热到1000摄氏度时，土壤中的其他挥发性物质会蒸发成气体，通过惰性载体送到质谱仪，即可检测到土壤中存在的微量有机分子。
2011年，好奇号发现黄刀湾淡水湖：2011年11月26日，美国发射了好奇号火星车，于2012年8月6日登陆火星。好奇号耗资26亿美元，重899公斤，外壳宽4.5米。重量是机遇号和勇气号的3倍，体积是他们的2倍，大致相当于一辆SUV汽车。
好奇号搭载了11种不同的科学仪器，是人类有史以来制造的体积最大、性能最高，也是最昂贵的火星车。好奇号着陆在火星盖尔坑内中心山脉的山脚下，科学使命是探索火星在历史上或如今的环境下是否适宜生命生存，为最终发现火星生命做准备。
2012年9月，好奇号发回了距离着陆点400米的“格莱内尔格”区域中古老河床砾岩层的图像。这些图像展示了砾岩中的石子大小和形状。石子大小介于沙粒到乒乓球之间，其中不少是圆形的，很像是地球上河床底部的鹅卵石。石子的形状和大小组合透露出它们是被水流长期冲刷、磨蚀而成的。若要冲刷形成这种尺寸的光滑鹅卵石，河流的水速应该为每秒0.2米至0.75米之间，水深在0.03米至0.9米之间。
2012年在盖尔坑着陆后，好奇号发现着陆点附近有一个深达5米的沟槽，其中存在热异常现象。好奇号对沟底的沉积岩进行了钻探分析，结果证实36亿年前那里曾经是一个至少存在了数万年的湖泊，湖泊长约50千米，宽约5千米。湖泊遗迹所在区域被命名为“黄刀湾”。
科学家分析了从黄刀湾两块岩石样本中提取的粘土，发现湖底区域的pH值呈中性，盐度很低，说明黄刀湾曾经是一个淡水湖。而当时火星上的其它地区要么已经干涸，要么分布着含盐量高、不适合生命存活的酸性湖泊。
好奇号在湖底沉积物中还发现了碳、氢、氧、硫、氮和磷等关键生命元素，表明黄刀湾理论上可以支持一些简单微生物的生存，这些自养型的原核微生物能通过分解岩石和矿物获取能量。在地球上某些洞穴和热泉喷口，也经常可以见到这类微生物。
黄刀湾在盖尔坑内的位置
好奇号火星车上的桅杆相机拍摄的照片显示，盖尔坑里的Glenlg区域分布着一系列沉积岩，图中是在黄刀湾西北方向观察到的情形。
黄刀湾的地质构造。好奇号所在的“羊床”（Sheepbed）是其中地势最低的地方，它分别在John Klein和Cumberland两点进行了钻孔取样。
黄刀湾的水体平静，水质中性，拥有丰富的、生命所需的化学成分等，这些都是生命存活的重要条件，说明黄刀湾曾经是一个非常适合火星生命存活的湖泊（见2013年12月9日Science杂志）。虽然科学家还没有掌握火星存在远古生命的直接证据，但这无疑是火星生命搜寻过程中非常积极的突破性进展。
好奇号的主要任务是寻找火星上可能适宜生命生存的地质环境，火星车上并没有配备可以直接探测生命迹象的工具，所以寻找有机碳就成为搜寻火星生命的重要途径。在火星上高强度的宇宙射线照射下，有机碳在火星表面的保存时间有限。好奇号的钻探设备可以钻至5厘米深处的岩石样本，有机碳在这一深度的岩石中可以保存7000万年左右。下一步，好奇号将寻找化学条件更利于保存有机物、有机物含量较高、辐射暴露时间较短的岩石样本。一旦好奇号检测到有机碳，那将是火星曾经有过生命的直接证据。
参考文献
A。 Diez， Science 10.1126/science.aau1829 （2018）。
R。 Orosei et al。， Science 10.1126/science.aar7268 （2018）。
专家解读：NASA如何发现火星液态水？http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=50811&do=blog&id=924274
未来一百年，我们能到哪里？https：//v.qq.com/x/cover/kt5weusfq7qlehr/a0346c3in5c.html
URL：http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aar7268
URL：http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aau1829
