如果火星上有水,那麼這些水都去哪裡了?
2019年04月15日09:03
科學們已經找到足夠證據,證明在大約30億年前,火星上曾經存在著活躍的水循環系統
科學們已經找到足夠證據,證明在大約30億年前,火星上曾經存在著活躍的水循環系統

  4月15日消息,據國外科技網站gizmodo的相關報導,未來,當我們最終殖民火星的時候,瓶裝水一定會是一個大生意:尤其是在一個最後一滴液態水也早已在數十億年前乾涸的荒漠星球上。

  關於火星上液體水的失蹤問題,在學界早已引發了大量的討論與研究。有一個事實是顯而易見的,那就是在漫長地質歷史上的某一個時刻,曾經存在於火星表面的大量液態水突然神秘消失了。火星曾經可能存在的宜居環境是引發人類對這顆紅色星球殖民衝動的重要原因之一,可是現在,歷史上曾經存在於火星上的那麼多水,到哪裡去了?

  今天,我們來聽聽8位行星科學領域的專家們怎麼說:

  一) 斯科特·金(Scott King)

  美國維珍尼亞理工大學地球科學系教授

  研究領域:行星形成與演化

  有很多證據可以證明,相比今天寒冷乾燥的火星,歷史上的火星表面曾經存在過液態水。至於這些水究竟去了哪裡,是太陽系研究領域的一大謎題。

  作為一位每天都要花費很多時間思考與地球上的俯衝帶相關話題的地球物理學家,對於火星上那麼多水的消失問題,我比大多數人都更加感到驚訝不已。我來解釋一下這是為什麼。在地球上,水會與海底岩石之間發生相互反應。這些經由水體改造的岩石在板塊運動的帶動下被捲入俯衝帶。這一作用會將大量水體帶入到地球內部——這是一種相當高效的將地表水體轉移至地球內部的途徑。

  但是這種機製在火星上行不通,因為火星上根本就不存在板塊運動或者俯衝現象。我們發射的火星軌道器和其他探測器已經在火星表面上發現了經由水體改造的岩石與礦物,其中包括一些在地球上只會存在於海底的礦物和岩石類型,我們很清楚,這類礦物或岩石的形成必須在相當深的水深環境下才可以產生。作為美國宇航局“洞察號”火星探測器項目的參與者,我正在計算火星地表岩石的密度和地震波傳播性質,以便為日後使用地震波信號搜尋地下經由水體改造的岩石做好準備。來自“洞察號”著陸器的數據可以幫助我們判斷在那些曾經遭受水體改造的岩石內部水分的含量高低。

在火星的兩極地區,巨大的極冠中蘊藏著巨量的水體
在火星的兩極地區,巨大的極冠中蘊藏著巨量的水體

  二)克里斯滕·賽巴赫(Kirsten Siebach)

  美國萊斯大學地球,環境與行星科學系助理教授

  火星上現在和過去都存在著不少水。即便是今天,火星極地的極冠中就蘊藏著大量水冰,如果將其全部融化,產生的水將足以覆蓋整個火星並形成一個水深至少22米的海洋!遺憾的是火星大氣太過稀薄,大氣壓太低以至於液態水無法穩定存在,因此今天的火星上,水只能以固態水冰以及少量水汽的形式存在。

  在過去,火星上曾經存在大量液態水,這些液態水在這顆紅色星球上形成了湖泊,河流甚至海洋。近期美國宇航局“好奇號”火星車發現一條長度超過300米的岩層,其全部是在古代的湖床底部形成的。這些岩層似乎在長達100萬年的時間里一直保持著穩定狀態,其存在於火星地表之上的時間大約距今35億年。這些證據顯示當時的火星必定曾經擁有一個密度更大的大氣層以及多得多的液態水,但我們對於火星上究竟存在過多少水以及這些水體在火星表面穩定存在的時間長度仍然不甚清楚。還有,這些水後來到底去哪裡了?

  其中的一些水散逸到了太空裡。這主要是火星沒有一個強大的磁場,因此其大氣會遭受太陽風的強烈衝擊。另外還有一些水與火山岩石發生作用並被存儲在了礦物內部結構之中,而剩下也有一些水體迄今仍然殘留了下來,被冰封在極區的永凍層之中。

水是火星歷史故事中的主角。我們看到河道穿越古老的高地,分出複雜的支流系統,其形態表明只有大量水體的存在,只有存在強烈的大規模降水情形,這一切才有可能出現
水是火星歷史故事中的主角。我們看到河道穿越古老的高地,分出複雜的支流系統,其形態表明只有大量水體的存在,只有存在強烈的大規模降水情形,這一切才有可能出現

  三)安德魯·柯蒂斯(Andrew Coates)

  倫敦大學學院穆拉德空間科學實驗室物理學教授/太陽系部門副主管

  自從誕生之後,火星在過去46億年間已經經曆巨大改變。大約38億年前,火星與地球的相似度要高得多,當時的火星上存在火山活動,擁有磁場,地表流淌著液態水,並被一層厚厚的大氣層所覆蓋。而就在這同一時期,地球上正孕育著最初的生命體。

  關於火星上曾經存在液態水的證據正變得越來越多,最開始從美國宇航局的“海盜號”軌道器拍攝的圖像上,此後“勇氣號”和“機遇號”兩輛火星車又在火星表面發現了越來越多的礦物學直接證據,“好奇號”火星車則進一步找到了pH值呈中性的水體曾經存在的直接證據,而歐洲空間局的“火星快車”探測器繪製的地圖上,顯示火星地表廣泛分佈的富水以及黏土類礦物。

  今天的火星寒冷而乾燥,只有一層稀薄的,主要成分是二氧化碳的大氣層,環境惡劣,全球性磁場也已經消亡。美國宇航局“火星奧德賽”以及“鳳凰”號探測器的探測證據顯示火星地表下存在水冰,而“火星全球勘測者”(MGS)探測器的圖像則揭示了一類被稱作“斜坡複現條痕”的現象,這被一部分學者猜測是火星地下存在某種高鹽度液態水體的證據;而就在去年,根據歐洲“火星快車”探測器的雷達探測結果,科學家們還在火星南極冰層下發現了一個液態水湖泊存在的證據。

  所有以上這些都顯示,水曾經,甚至今天仍然存在於火星之上——只是其中的一部分進入了地下,或者正如“火星快車”以及“美文”號探測器的探測數據所揭示的那樣,有大量的火星水體散逸到了太空之中。但在38億年前,火星絕對具備絕佳的生命孕育條件。這也是為何歐洲與俄羅斯合作的Exomars漫遊車將計劃在火星上進行深達2米以上的鑽探,從而實地搜尋火星上過去,甚至現在——儘管可能性要低得多——存在生命的線索。另外,美國宇航局的“火星2020”計劃將開始採集火星地表樣本,以備後續帶回地球。

在接近赤道地區的火星撞擊坑向陽面,在溫度足夠高時,科學家們發現在斜坡上出現一些暗色條紋,一些科學家認為,這極可能是流動的高鹽度液態水體
在接近赤道地區的火星撞擊坑向陽面,在溫度足夠高時,科學家們發現在斜坡上出現一些暗色條紋,一些科學家認為,這極可能是流動的高鹽度液態水體

  四)大衛·維恩特勞(David Weintraub)

  美國範德堡大學天文學教授,《火星上的生命》一書作者

  如果我們將一顆行星上的所有水體都提取出來,然後均勻播撒到整個星球的表面,這時候我們就獲得了行星科學家們常喜歡說的“全球性海洋”概念。這一概念在幫助我們直觀瞭解一顆星球上水量的多少時會很有用。

  相當詳實的數據顯示,當前科學家們在火星上發現的全部水體——主要是兩亟亟冠中的水冰,可以在火星上形成一個水深大約20多米的全球性海洋。這就是今天火星上擁有的總水量,並且對於這一估算數值我們是相當有信心的。

  我們還知道在歷史上火星曾經損失了大量的水體。通過對火星大氣中幾類稀有氣體含量的追蹤,科學家們可以估算火星歷史上曾經存在的水體足可以在火星上產生一個水深137米左右的全球性海洋。基於這些來自火星大氣的線索,我們可以相當有把握的指出,火星在其地質歷史上已經損失了大約75%~85%的水。這些水已經永遠的失去了,它們已經散逸進入太空。再一次的,我想說,對於這一點,我們相當有信心。

  然而,如果我們不是基於大氣相關推測數據,而是通過其地面上遺留的痕跡,包括隨處可見的蜿蜒河道以及流水衝刷地貌,地質學家們的推算結果是,要產生這樣的衝刷結果,當年的火星水量應該足以形成一個水深450~900米的全球性海洋。當我們將兩個結果相結合,我們會意識到,火星最初擁有的水體中,或許還有多達40%~80%的水量並沒有散失到太空中去,它們只是消失不見了,我們還沒找到它們的下落,或許在火星內部。那可是好大一部分水體。

  總的來說,相關證據似乎顯示,火星損失了其在40億年前所擁有水量的大約10%~30%。而在剩下的70%~90%水量中,兩極冰蓋中所含的水量只可以解釋其中的不超過5%~10%。其餘的大量水體——或許可以占到火星最初水量的90%,可能隱藏在火星內部。

美國宇航局“鳳凰號”著陸器在火星高緯度地區用機械臂開挖,很快發現淺地表下白色的水冰物質
美國宇航局“鳳凰號”著陸器在火星高緯度地區用機械臂開挖,很快發現淺地表下白色的水冰物質

  五)蒂莫西·道林(Timothy E。 Dowling)

  美國路易斯維爾大學行星物理學教授

  在太陽系中,火星是除了地球之外,唯一一個可能擁有潛在適宜人類居住環境的行星,這也就很好理解,關於火星與地球之間任何細微的相似或者相異之處都會受到詳細關注和研究。儘管火星比地球小,但其表面積幾乎和地球上的陸地面積相當。當然,地球的陸地面積只占到地球整個表面積的30%左右。

  在將近半個世紀的行星際探測行動之後,我們已經擁有大量證據可以證明在火星上曾經存在流動的液態水,並且水量還不小。從軌道上,利用遙感的手段,我們發現了大量流水地貌痕跡,或者說乾涸的古老河床。在火星表面上,漫遊車已經找到多種不同的礦物,這些礦物在缺乏液態水的環境下是無法形成的,甚至它們還找到了遭受流水侵蝕磨圓作用明顯的光滑的鵝卵石。

  我們甚至拍到了時至今日還在火星表面流淌的鹽水,它們出現的時間和位置剛好是在火星赤道附近的正午時分溫度最高的時候。相關發現得到了光譜學觀測結果的證實,光譜學觀測發現了某些水合鹽類的跡象,相關信號剛好就出現在這些流淌的暗色痕跡位置,而在這些暗色痕跡不存在的地方,水合鹽類的信號也就跟著消失了。但我們還是要問,火星地表的水都到哪裡去了?

  關於這個問題的答案,事實上這或許是這個問題答案中相當主要的一部分就是,火星質量不夠大,因而無法維持一個強大的行星磁場。地球熔融的鐵質內核會產生電磁場,從而在地球周圍構建起一個強大的磁場系統,幫助阻擋有害的太陽帶電粒子流對地球的轟擊。作為鮮明對比火星由於沒有磁場的保護,時刻暴露在太陽帶電粒子流無情的轟擊之下,這樣的情況已經持續數十億年之久。美國宇航局發射的“美文”號探測器目前正在火星軌道上運行,對火星大氣在太陽風衝擊下的散逸過程進行詳細記錄,其傳回的相關數據已經確鑿地顯示,在太陽風作用下,火星大氣物質正在不斷離開火星。

  一副圖景正變得愈發清晰,那就是如果你羅列出地球上的環境特徵,你會發現這些特徵幾乎都是為生命的生存非常有益和重要的,而其中如果缺失掉任何一條,生命的出現和繁盛幾乎都將成為不可能。這種地球擁有而火星缺少的環境條件包括:一個強大的磁場,一個大型天然衛星,以及板塊運動等等。

  但是,隨著我們對於火星的瞭解愈發深入,我們便愈發被這顆星球所吸引。

  比如我們近期發現在火星大氣中存在明確的,但是分佈並不均勻的甲烷氣體信號,其含量遠超我們此前預期。在地球上,大部分甲烷氣體的產生都與生命活動有關。行星科學家們目前正在努力試圖弄清楚,火星上這些甲烷氣體的來源究竟是什麼?請拭目以待。

“美文”探測器的考察結果顯示,火星一直在經曆著嚴重的大氣散失
“美文”探測器的考察結果顯示,火星一直在經曆著嚴重的大氣散失

  六)布魯斯·賈科斯基(Bruce M。 Jakosky)

  美國科羅拉多大學地質科學系教授,“美文”(MAVEN)火星探測器項目首席科學家;

  火星上存在液態水的證據在火星地表的形態上就能夠看得到——那些明顯是乾涸的古老河床和衝刷痕跡,古代湖泊的遺蹟,以及符合流水侵蝕的地表特徵,都顯示這裏在過去曾經存在過相當活躍的水循環系統,甚至還可以看到大規模洪水爆發的痕跡。

  除此之外,火星車已經在火星表面發現了多種只可能在液態水參與的情況下才能形成的礦物。其中有些呈“凝結核”形態存在,這是液態水溶解相關礦物,之後在其他地方再次沉澱凝結時容易產生的形態。

  在今天的火星上,我們已經鑒定出高氯酸鹽成分,就混雜在土壤之中。這些成分會吸收空氣中的水汽並使其自身溶解,形成高鹽度的液態水體,在火星上某些區域的白天是可以維持穩定存在的。

  更具有爭議性的是那些看上去似乎是流動的液態水留下的痕跡,也就是前兩年媒體報導的所謂“複現性斜坡條痕”(RSL),科學家們認為其可能是當前仍然存在於淺層地下的高鹽度液態水體在撞擊坑向陽面斜坡上的流動造成的。此外,雷達數據顯示,在火星南極地下大約1公里深度上似乎存在一層“潮濕”的層面,或許那裡存在著地下水層。

  也就是說,火星上迄今可能仍然存在水,其形式包括大氣水,兩極的水冰,以及埋藏在地表之下的水冰,還有在全球廣泛分佈的,存儲於礦物結構中的結晶水。甚至,在某些區域的地下可能還不能排除存在著地下水層。但到目前為止對於這一點我們仍然缺乏直接證據。

  以上這些,都已經通過遙感或直接成像的形式得到驗證。但火星上相當一部分水體都已經分解為氧和氫原子的形式並散逸到太空之中。我們瞭解這一過程,因為這一過程會留下痕跡:氫的同位素異常。

  氘是氫的一種同位素,質量相對氫更大(原子核中含有一個中子)。正是由於其質量更大,在向太空逃逸時,氘的逃逸成功率會低於更輕的氫。而在自然界中,氘和氫的天然比值是可以經由理論計算出來的。通過觀察現在火星大氣中氘的異常富集,也就是對於“D/H”(氘/氫)的比值,我們可以發現,大約85%~95%的火星地表水可能已經消失在了太空之中。

“美文”(MAVEN)是人類歷史上第一顆專門的火星大氣探測器,2013年開始執行探測任務
“美文”(MAVEN)是人類歷史上第一顆專門的火星大氣探測器,2013年開始執行探測任務

  七)阿曼達·斯托克頓(Amanda M。 Stockton)

  美國佐治亞理工學院化學與生物化學助理教授

  主要研究興趣是通過有機質分析搜尋地外生命

  事實上地球上的水也需要解釋。太陽系就像一個大型蒸餾塔,由於太陽的高溫,距離太陽較近的行星上的水會被蒸發走,烤乾,然後在那些距離較遠的行星體上聚集。按照這個原理,地球上根本就不該存在那麼多的水。因此,解釋清楚地球上為什麼會有那麼多的水,是一個要比解釋清楚火星上為什麼只有那麼少的水更大的挑戰。

  火星的個頭為什麼那麼小?要想解釋這一點,就離不開歷史上木星和土星軌道在太陽系中的來回遷移問題。這兩顆巨行星曾經轉移到太陽系內側,之後再次向外,抵達今天的位置上。這一過程剝奪了大量原本可以用作火星“建築材料”的小天體,使得火星總體上“發育不良”。因此,今天我們無法100%精確說出火星原先的位置,直到未來我們關於太陽系演化歷史的模型得到改進。因此從這個角度上說,地球-火星水量問題從定義上就不夠明確,因為我們不知道火星在歷史上相對太陽以及木星土星,曾經位於太陽系什麼位置。

  另一個問題是,由於火星質量相對較小,它在比較早期就不再擁有全球性磁場。這樣就導致太陽風轟擊其大氣層,使其離子化並導致大量氣體物質的逃逸。美國宇航局的“美文”(MAVEN)探測器正在監測這一過程。

  八)布里歐妮·霍根(Briony Horgan)

  普渡大學地球,大氣與行星科學系助理教授;

  其工作是利用美國宇航局的衛星和漫遊車數據,結合實驗室以及地球野外考察的相關經驗,嚐試理解塑造了火星與月球地表的自然過程機製;

  水是火星歷史故事中的主角。在火星地表上我們可以輕易找到大量證明火星過程曾經存在一個活躍水圈的證據,時間大約是在30億年前。我們看到河道穿越古老的高地,分出複雜的支流系統,其形態表明只有大量水體的存在,只有存在強烈的大規模降水情形,這一切才有可能出現。這些河流向前流淌,注入撞擊坑內,並形成沉積三角洲。今天這些“湖泊”早已乾涸,那些三角洲早已裸露地表,“好奇號”火星車目前正在其中一個這樣的三角洲上考察。

  我們很清楚,切割出這些河道,填滿這些湖泊的,是液態水——不是其他某種液體。為什麼呢?因為我們已經找到大量只可能在液態水存在的情況下才能形成的礦物。比如在水蒸發的時候會留下鹽類,當水體長期處於靜止狀態,容易產生黏土類礦物,而當二氧化碳溶於水體,就會產生碳酸鹽類礦物。未來即將實施的美國宇航局“火星2020”項目,將要著陸到古老的“傑澤羅”(Jezero)撞擊坑內,這裏是一個乾涸的湖床和河流沉積三角洲,科學家們將在這裏搜尋古代可能存在的微生物的痕跡。

  我們知道大約在30億年前,火星上曾經有大量水體流動,但今天的火星卻成了一個寒冷荒涼的星球,僅剩下極少的液態水體。之所以如此,是因為火星幾乎損失了其早期大氣層的大部分,而今天的火星大氣已經太過稀薄,難以支援液態水在其地表的穩定存在。美國宇航局的“美文”探測器的相關數據已經證明,太陽風以及其他機製造成的大氣物質逃逸不足以完全解釋火星今天如此稀薄的大氣,因此我們有理由認為在火星歷史上可能曾經發生過大型的天體撞擊事件,這些事件造成了火星大氣層的巨大損耗。之所以這樣的事情在地球上沒有發生,是因為地球的質量要比火星大得多,引力也相應強得多,大氣的逃逸難度要比火星上大得多。

  火星一部分水體散逸到了太空之中,但大部分水體應該是以水冰的形式被冰封在地表之下。我們已經在火星高緯度地區發現的巨量的水冰富集,而美國宇航局的“鳳凰”號探測器甚至直接挖出了淺地表下的水冰。如果你將這些水冰全部融化,我們可以很容易在火星上創造一個海洋。這些水冰儲備對於未來的載人火星探測乃至殖民定居都將十分重要,因為它們將可以為我們的宇航員和定居者們提供必要的用水供應。(晨風)

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽