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2015-10-2

当代火星上的流水

归档于: 天文空间科学, 行星科学 @ 2:50 pm

火星在过往曾经拥有过大量液态水体早已不是什么新闻了,红色行星地表无数的水成地貌都在诉说着过往的流水历史。甚至现今火星上存在冻结的水冰也并不新鲜,比如极冠地区以及埃律西昂平原低地南侧的多边形地块都可能是水冰存在的表征;当然,探测器在火星大气中检测到水蒸汽成分也只能说得上是例行公事了。

火星阿瑞斯(Ares)谷中的流线型岛屿,它们由流水塑造而成,类似结构是远古火星拥有液态水体的明证。(图片提供:NASA/JPL/Arizona State University)

但是火星当今的流水呢?这个问题就有些复杂了。首先要说明的是,火星上大多数地点在大多数时间内温度都极其寒冷,根本不容液态水体的存在。虽然赤道区域在夏季有可能达到零上20摄氏度左右的温度,但毕竟这并非常态。何况在火星低气压大气的环境下,液态水体也是很容易挥发掉的。

上周,NASA主页神秘兮兮地发布了一条声明,号称不日将正式宣布火星的一大谜题得以解答。至于谜题的内容具体是什么?这本身就是个谜。9月28日星期一,谜底终于得以揭晓:研究者第一次确认,火星上存在当代流水的证据。注意,这次他们发现的只是间接证据,而非水体本身,只是说这些证据的最佳解释莫过于液态水的存在。

暴露液态水分存在的地貌是所谓的再发性坡地线状结构(Recurring Slope Lineae,简称RSL),也就是在火星的坡地上频繁出现的暗色线条。这些线条并非永久性结构,而是在春夏之交从坡顶向下生长延长,当秋季到来之时逐渐消弭,待到来年气温转暖后又再次出现,如此周而复始。如果是在日照相对较为充足的赤道区域,RSL要更为持久一些。根据消长的时间特征以及走向,在很早之前就有不少人猜测,这些最长可达上百米的线条背后的罪魁可能就是液态水体。

牛顿环形山壁内侧长而又消的再发性坡地线状结构。图中所示的区域宽约500米,位于火星南纬40度左右。(图片提供:NASA/JPL/University of Arizona)

这个新的发现结合了火星勘测轨道飞行器的高分辨率影像档案(其中记录了数十个地点出现的RSL)与光谱数据,确认了再发性坡地线状结构与某些水合盐分之间的成协性。先前为了寻找这些盐分,大家都是对存在再发性坡地线状结构的区域取光谱平均,但是没有找到任何确切的线索。这次研究者为了提高信噪比,只叠合了4个地点内RSL主导部分的光谱。所有这4处都表现出了明显的水合盐分迹象,但只有当RSL颜色最深最为宽阔的时候,盐分的光谱特征才会现身。成分方面,这些盐分以镁和钠的水合高氯酸盐以及氯酸盐为主。高氯酸盐在地球上往往集中于干旱的沙漠中,而先前的凤凰号着陆器和好奇号火星车也都在火星土壤中找到过类似的物质。只是从轨道上辨认出高氯酸盐的水合形态,而且还是在RSL内部,这还是头一遭。

这4处拥有RSL的地点分别是海尔(Hale)、帕利吉尔(Palikir)、霍罗威茨(Horowitz)三座环形山,以及科普莱特斯(Coprates)深谷。这其中,科普莱特斯深谷组成了火星赤道以南水手谷的东段;但几座环形山(以及前面充当RSL范例的牛顿环形山)的位置距离赤道就都比较远了,比如海尔环形山位于南纬40度左右,最靠近赤道的霍罗威茨也位于南纬32度。所以哪怕在夏季,这些环形山附近的温度也还是处在零度之下。这样就带来了一个貌似的谬论:水合盐分到底与水流有什么关系?与水分又怎么可以在这样的低温环境下流动?

海尔环形山侧壁长长的再发性坡地线状结构。(图片提供:NASA/JPL/University of Arizona)

然而这些条纹更不可能是干冰造成的,因为零下几度的低温虽然足以冻结水分,但干冰却会在此条件下升华。解谜的关键就在于暴露流水存在的盐分。高度易溶的高氯酸盐可以让水的冰点大大降低,条件与成分适宜的话,在零下70摄氏度的环境中,浓盐水仍旧不会冻结。所以再发性坡地线状结构就很顺理成章地与流水联系起来:含有大量盐分的水流在火星的夏季完全可以保持液态,它们从坡顶沿山坡流下并一路蒸发,将大量盐分以水合物的形式沉积到地表上,让周边土壤的性质和颜色发生改变,形成季节性的条纹。而当秋季来临之后,温度逐渐降低,连盐水都无法继续流动了,因此地表集中在RSL中的盐分无法得到补充,纹理被逐渐侵蚀掉。

考虑高氯酸盐在火星上普遍存在,流水很容易获得所含的盐分。不过水分的来源现在还是个未决的问题。有人认为是地下的水冰层提供了水源,并通过毛细作用爬到了地表。也有说是地表盐分会吸收空气中的水分并溶解自身,横竖火星车的实地勘察表明火星大气的水蒸汽含量高于预期。其实形成再发性坡地线状结构也要不了太多的水分,有研究者在地球上的南极洲干旱谷地中开展了实验,结果表明,想要形成类似的深色条纹,土壤中百分之几的含水量足矣。

再发性坡地线状结构的又一个例子,位于霍罗威茨环形山内。(图片提供:NASA/JPL/University of Arizona)

下一步也许就是在火星上真正寻找流动的水体了。这次发现所用的观测数据大抵是在火星上最干燥的午后时分采集的,所以没有直接看到水流也在情理之中。当然,现今是不能指望在火星上发现远古洪水那般壮观明显的水体了,如果水流规模不大,甚至只是毛细水流,个人是蛮怀疑现有探测器将其解析出来的能力的,不过光谱观测应该会给出关键的线索。

如果火星水流最终被直接观测到,又会如何?除了为火星环境相关研究带来重要线索之外,存在水流的地区可能还会成为未来火星任务的着陆点候选目标,尤其是载人火星登陆计划。而液态水是否暗示当今的火星上可能存在着生命?现在下定论还为时过早……

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