互动科普

新的高分辨率图像让我们看到了以前不曾发现的火星地形特征：火星上有一些时刻变化着的深色条纹，它们是流动的水冲刷而成的吗？

撰文：阿尔弗雷德·S·麦克尤恩（Alfred S. McEwen） 翻译：季江徽、田蕾

火星上目前有水存在的第一个确凿证据出现在2000年。那年6月，美国航空航天局（NASA）公布了一些重要的消息。消息称，“火星环球探测者”号飞船（Mars Global Surveyor，MGS）上的相机在火星表面发现了很多沟壑，可能是由类似地球上的水流冲刷这样的过程形成的。

当时，一则美国航空航天局的新闻稿断言，火星上的沟壑意味着“火星地表或浅层地下可能有液态水流”。这些沟壑通常被认为是由流水或潮湿的砂砾流动造成的，因而引起了许多行星科学家的关注。

然而疑问很快产生了。这些沟壑数以万计，有的绵延数千米，分布于火星中纬度区域，暗示了大量未知液体的存在。火星大气压很低，不及地球大气压的百分之一，以致纯水在火星表面会迅速冻结、蒸发或沸腾汽化。

有些科学家认为，火星沟壑是以前火星经历剧烈的季节性温度涨落遗留的痕迹。此后，在2006年，“火星环球探测者”的最新数据表明，2006年之前的几年，有浅色物质溢出沟壑，这些沟壑还“活着”。

幸运的是，在这些尚且活跃的沟壑激起人们的好奇心之时，一个新的高性能探测器抵达了火星。火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）携带了高分辨率成像科学实验（High-Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）相机，而我——本文作者，就是研究这套设备的首席科学家。这种相机是目前行星任务使用过的性能最强的相机，因此HiRISE很快就能提供有关这些沟壑产生原因的关键证据。但它能提供的远不止这些。

就在火星勘测轨道飞行器传来的高精度图片解开沟壑产生之谜时，我实验室的一个学生首次发现了火星表面的一个令人费解的特征——火星表面有一些深色的条纹沿着斜坡向下，随季节缓慢地伸缩变化，这说明这些条纹都是液态水流。这些条纹是火星上有水流出现的最有力证据，给我们提供了新的思路，去解释液态水如何存在于这种恶劣环境中。同时这一证据也显示，火星表面仍然可能有适宜生命存在的区域。

干冰与沟壑

从一开始，我们设计HiRISE的目的，就是要观察沟壑和小尺度结构，它的相机可以为我们提供前所未有的精确细节。HiRISE可以拍摄到火星表面任意位置的高分辨率彩色照片（分辨率可达到0.25米／像素～0.32米／像素）。火星勘测轨道飞行器也可以在多种轨道上，将相机精确地对准目标，以寻找表面地形的变化迹象。此外，飞行器还可以绘制地形立体图，以营造出一个三维视野。

高分辨率立体图与色彩的结合，再加上历时几个火星年的重复拍摄，HiRISE显著提升了我们对火星表面变化的认识。我们已记录了被风吹起的灰尘和砂砾、岩石崩塌、冰霜，以及分布于火星表面的新撞击坑（见图“火星表面活动”）。

HiRISE最初的一批图像展示的是火星南半球中纬度地区的一个斜坡，而“火星环球探测者”号飞船曾经在这个斜坡上发现了神秘的沟壑。在冬季，火星南半球向南的斜坡很大一部分仍然处于火星环形山边缘的阴影中。霜冻（主要是由冻结的二氧化碳构成）覆盖了大部分斜坡，然而一些沟壑却没被冻住。这就暗示，这些沟壑自身发生了一些变化。

我们耗时两个火星年（近4个地球年），捕捉了很多沟壑的动态，但数据最终揭示了一个令人惊讶的趋势。当二氧化碳霜冻覆盖地面时，沟壑变得活跃——形成新的凹陷、渠道和冲积扇（河流流出山口处那样的扇形堆积体）。

我们以前见过二氧化碳霜冻，或干冰的运动：在火星的极区，二氧化碳的季节性升华（即从固态变为气态）会产生奇冷的喷射流，类似于射向空中的喷泉。在火星南极附近干冰与尘埃的层状沉积物中，二氧化碳的升华形成了一些“蜘蛛”状的地貌，这是一些放射状和网络状的渠道，由干冰层下的气体喷流造成。这些地形非常奇特，在地球上是见不到的，所以可以认为，它们的形成源自一种地球上没有的奇异过程。

火星沟壑与地球的沟壑峡谷看上去非常相似，以致很多研究人员假设，它们是由相同的过程形成的。然而，我们最终发现，这些火星沟壑也可以由一种在地球上根本不曾发生过的过程形成。在火星上，二氧化碳通过一种无水的过程导致沟壑的形成，比如干冰升华。这种过程可能会使岩石和土壤像液体一样从高处流下。

用干冰霜冻过程来解释沟壑的成因可解开很多谜团。首先，我们曾疑惑，为何沟壑会出现在火星南纬30到40度之间面向火星南极的大部分斜坡，以及南纬40度以上面向火星南极的所有陡坡上。事实证明，这种模式符合二氧化碳霜冻的季节性分布。但是，我们无法解释为何在南半球，沟壑要比在北半球活跃很多。火星轨道也有岁差（precession，见more information）现象，按照目前火星在其轨道中所处的位置，南半球冬季比北半球冬季长，所以南半球可以积累更多的霜冻（见图“ 深色条纹的形成机制”）。当干冰覆盖地面时，地表和大气温度会稳定在二氧化碳冰点上下，即大约－125℃左右。纯水在0℃就会冻结，所以干冰霜冻存在的季节，是液态水最不可能出现的时候。

神秘的深色条纹

那时，我开始得出这样的结论：如今大部分火星表面的侵蚀都是由二氧化碳霜冻造成的，而当今关于火星上有水的观点可能是错的。在所有纬度地区，火星表面会随着干燥的环境过程而变化，比如因刮风而变化，但最显著的变化发生在二氧化碳季节性覆盖的地区。

随后，在2010年的年中，HiRISE的一位研究人员林德拉·奥哈（Lujendra Ojha）发现了一些与众不同的现象。当时，他正在用HiRISE拍摄成对的立体图像，制作数字化的火星地形模型。我建议他使用变化检测方法（change-detection technique），来分析一下同一个区域的两张图片。这两张图片的拍摄时间只间隔了两个月，我们想看看在这一小段时间内，沟壑是否发生了变化。

奥哈建立了数字地形模型，然后利用相关数据，合成了一张鸟瞰图，就像飞行器在直接观察这个区域一样。最后，奥哈比较了这两张图片，来寻找细微的变化。

奥哈的发现很令人不解。在拍摄时间较晚的一张图片中，很多颜色较深的细条纹从陡峭的岩石区延伸下来，这些条纹在较早的图片中没有出现。

我不知道火星表面的这些不规则的深色条纹是怎样形成的，所以我们收集了更多信息。首先，我们检查了所有成对的陡坡立体图像。在这之前，我们已经积累了数百对立体图像，用来研究沟壑、保存完好的撞击坑以及裸露的岩床。在这些图像中，我们也发现了这种奇怪的条纹，而且每一次我们都发现了相同的现象：深色条纹出现在岩床附近的陡坡上，条纹里看不出有什么明显的地形起伏。出现这些特征的照片都是在夏季拍摄的，拍摄地点都是火星南半球中纬度地区面朝赤道的斜坡上，然而在夏季，二氧化碳并不会引起火星地表变化。

由高处向下延伸的深色条纹，很自然地让我们这些地球人想到了水或湿润的土壤，但我和同事还是选择了谨慎的态度。

条纹的成因

在确定陡坡上出现条纹的原因前，我们需要收集更多证据，以了解它们会在何时何地出现。我们对这些在夏季出现的深色条纹做了以下推测：这些条纹在几周或几个月的时期内会缓慢增多，然后在变冷的季节里渐渐消退，紧接着又在下一个夏季里重新形成。

火星勘测轨道飞行器运行后，直到火星南半球的第二个夏季到来时，我们才发现了暖季出现的深色条纹，所以只好等到南半球的第三个夏季到来，才能验证我们的假设。我们选取了六个地点集中检测条纹的变化，再抽样调查其他地点。观察结果证实了我们的猜想，于是，我们在2011年8月的《科学》（Science）上发表了我们的发现。

在论文中，我们把这些条纹特征称为“季节性斜坡线”（recurring slope lineae，RSL），这是一个纯描述性的名称，完全不含有关这些条纹成因的元素。如果我们称其为“水迹”，就会错误地表示，我们已确定它们的成因了。

然而当时，我们也更确信，在这个新发现的现象中，水也以某种方式参与其中。总的来说，“季节性斜坡线”偏爱特殊的环境：中纬度、南半球的温暖陡坡（南半球夏季比北半球长）。“火星奥德赛”号上的装置测量到，在这些位置，下午的地表温度可达到27℃。

温度高于0℃是很适合液态水存在的，但如果是在火星上的话，稀薄的空气会使纯水迅速汽化。然而盐水却是和纯水有很大差别的物质。每个成功的着陆器和巡视器、轨道器上的分光仪、火星陨石成分分析，都证实了火星表面有很多盐成分。火星地表或浅层地下流淌的水肯定也含有很高的盐量。

当盐水冷却时，它要么部分冻结成冰，要么析出部分盐，或两者都有。这时，无论留下的是什么液体，都是所谓的共晶态（eutectic composition），此时的盐浓度能使溶液在尽可能低的温度下保持液态。在共晶态下，高浓度的硫酸铁或高氯酸钙（这是火星上两种常见的盐）盐溶液甚至在低至-68℃的温度下都可以保持液态。

此外，暴露在环境中时，这种共晶态液体可比纯水存在的时间长得多——其蒸发率不足纯水的十分之一。这种奇特性质使得共晶液体在火星上比纯水稳定多了，所以我们相信，在温度较高的陡坡上，那些奇特的条纹或许就是由盐水造成的。

不过，我们还是遵循了传统的研究规则，试着去考量多个假说。比如，会不会存在其他的、不需要水参与的过程，可以解释我们的观测结果？那些不需要水的过程，如岩崩、滑坡，都没法解释这种现象的季节性、增长性和温度敏感性，而且，我们也从未在干燥的月球上观察到此类现象。

接下来，我们又做了如下考虑：挥发性物质——比如水——可能参与了这个过程，但水的作用是次要的。如果是挥发性物质使土壤颗粒粘在一块，那么温度升高会使黏合剂升华，从而导致干燥颗粒滚下山坡。（美国航空航天局的“凤凰号”就曾在2008年遇到了这种粘连现象，土壤顽固地粘在机器人倒斗的内侧，怎么都落不进机载采样检测设备的吸入口。）但是，这种假设无法解释“季节性斜坡线”为何没有地形起伏，也无法解释它为何会消退。而水会使土壤颜色加深，并且只有在入夜冻结之前，温度还相对较高时流动，这能最好地解释观测结果。

水促成了地表变化的现象其实并不罕见。在地球的南极地区，类似的水迹的确是由浓盐水的浅表流动形成的。研究者们甚至在这些南极水迹中发现了微生物。

那我们为什么不欢呼“找到了”呢？从沟壑的现象中，我们已经学到了还是谨慎为好，表面现象往往具有欺骗性。（尽管如此，有趣的是，我们在小渠道或者沟壑附近发现了很多“季节性斜坡线”，这暗示了有些沟壑可能是由水冲刷形成的。）此外，拿地球上的现象来作类比也只能到此为止：火星在夜间远比地球南极寒冷，所以未冻结的土壤活动层也更薄。

火星上的水

我们不是第一批，甚至也不是第二批提出火星上存在水的研究团队。“凤凰”号发回的图片显示了着陆器的“腿”上有水滴样的东西。这个观点曾对我来说很疯狂，直到我了解了潮解这一过程，即当温度和空气的相对湿度都足够高时，盐会通过潮解来吸收大气里的水。如果“凤凰”号的制动火箭在着陆时，喷气使高氯酸盐飞扬到空中，那么可能就会出现让盐吸收水分，产生液滴的合适条件。而且，盐分潮解会吸收大气里的水分这个观点，加州理工学院的罗伯特·B·雷顿（Robert B. Leighton）和布鲁斯·C·穆里（Bruce C. Murray）在1966年就发表了。

对于“季节性斜坡线”是如何形成这一问题，潮解是个比较合理的解释方式 ，但是潮解过程仅能从稀薄的火星大气中吸取微量的水，除非有某种机制能让水长时间积累，否则水量肯定不够从陡坡上流淌下来。

地下冰的融化也可能是“季节性斜坡线”出现的原因之一 。基于遥感轨道上的中子探测，我们知道在火星中高纬度地区，有较薄的冰沉积层。通过HiRISE，我们发现一些新近产生的撞击坑暴露出了冰，这类冰所在的纬度低至北纬40度，离赤道比我们预想的要近些。

这些冰沉积物是什么样的？出人意料的是，从岩石下挖出的冰非常干净，冻结层几乎没有混入土壤。这意味着，这些冰不是大气水分凝结的产物，因为大气中会有细小的土壤颗粒。这些冰也不可能是降雪的遗迹，因为雪会迅速升华，不会在地表保持太久。它们可能是一些盐水从地下较深处移动上来，重新冻结成干净的地表下的冰层。

这种机制避免了升华引起的很多问题。因为纯水结成的冰比盐水形成的冰升华得快，几乎所有过去在浅层地下形成的冰如今都已升华掉了，只有盐度最高的冰留了下来。夏天，向阳的陡坡会吸收足够的热量，融化存留的盐水冰。

我们观察到了支持这个观点的现象。“季节性斜坡线”的活动峰值不是对应着地表的热度峰值，而是对应着浅层地下温度的峰值，后者比前者迟几个月到来。另一方面，如果夏季温度高到足以融化盐水冰，那么久而久之，冰就会消失。或许盐水冰正在消失，每个位置的“季节性斜坡线”也只在几个或几十个火星年中活跃；又或者，水分可以由某种方式得到补充（见图“火星上的水如何存在？”）。

寻找火星生命

目前，我们暂时还没有办法直接在“季节性斜坡线”处鉴定是否有水存在。火星勘测轨道飞行器上的分光仪是我们完成这个任务的最大希望，但它的空间分辨率可能不足，无法在火星表面精确地找到这么细小的条纹。更糟的是，火星勘测轨道飞行器的轨道使它永远只能在火星的下午观察到火星，那时的火星表面上很可能不会出现水或水很少。

从实验室研究中，我们知道在某些季节中，盐水在火星表面某处能稳定存在，存在时间主要是一天中的两个时间段：清晨和傍晚。空气的相对湿度随着早晨温度上升而降低，随着晚上温度降低而上升。其间会存在一个短暂时间，这段时间里温度和相对湿度都很高，这时某些种类的盐会通过潮解来吸收和保持水分。在傍晚，这个过程可能发生在日落后，很难观测到。而在清晨，潮解会发生在日出后，而且即使相对湿度大幅下降时水分仍能保持。

能证实或推翻“季节性斜坡线”是由液态水形成的这一观点的理想装置，是一台空间分辨率很高的分光仪（“季节性斜坡线”的最大宽度是5米，新分光仪的分辨率必须在5米以下），我们可用它全天进行多次观测，包括早晨。

最近，我和一些同事在一个探讨火星未来探索的研讨会上提出了这个任务的概念。这个任务也能以高分辨率获取图像，测绘地形图、温度图。有了这样一个探测器，我们就可以确认火星上是否有水，以便对其宜居性做些讨论。如果我们没有探测到水，那么“季节性斜坡线”背后的现象则需要一个不同的解释，这个解释也许会更加令人意外。

如果“季节性斜坡线”确实反映了火星上存在流动的水，那接下来的问题自然是，水是否为某些能利用盐类的微生物提供了宜居条件。我们已经对地球上的极端微生物有了许多了解，这些物种有的能在极低或极高温度，极干燥或高盐度，以及高辐射等条件下生存。它们不仅能在某些-20℃的液体中生存，还能繁殖。

不过，一些共晶溶液并不适合生物生存（就目前所知），所以并不是说有水就有生命，地球上同样如此。在夏季的一些时候，许多“季节性斜坡线”的位置及向下几厘米处的温度很可能高于-20℃。如果火星极端微生物存在的话，它们对极端环境的耐受能力可能比地球微生物还要强。

火星上有水流塑造的条纹——这种可能性的影响是巨大的。目前我和同事仍致力于更好地理解“季节性斜坡线”的特性。在2011年发表于《科学》的论文的基础上，我们发现了很多有活跃“季节性斜坡线”的新地点。为了在地球上模拟HiRISE在火星轨道上的观测情况，其他研究者已经开展了实验室研究和南极科考。希望我们的协作努力可以阐明这个新发现的现象，并且阐明流水是否“季节性斜坡线”成因的最佳候选。

也许，在无数关于火星水流的发现中，第一千零一次发现将终获成功。

本文译者：

季江徽是紫金山天文台研究员，研究方向为行星科学，特别是系外行星动力学研究、行星系统中星子吸积、生长和演化研究、类地行星形成和内部结构研究等。

田蕾是紫金山天文台硕士研究生，师从季江徽研究员。