重识火星冰盖下有一汪湖水?

2018-09-08 12:59 点击:

  7月25日,意大利航天局领衔的一个研究团队在《科学》杂志上发表报告称,在火星南极冰盖表面下约1.5千米处发现了一个液态水湖。一旦确认,这将是人类首次在火星上发现液态水构成的湖泊。

  与新发现相伴,一连串的新问题也接踵而至:液态水湖的“庐山真容”是什么?它的发现有何重要意义?火星是否藏有不为人知的顽强生命?改造红色星球,人类又有哪些计划举措?

  直径约20公里,形似偏圆的三角形,深度至少1米——这是意大利科学家通过先进卫星雷达发现的火星液态水湖的“全貌”。消息一出,全世界为之沸腾,有专家甚至断言,“在火星南极冰盖之下发现液态水,将为我们提供地球之外潜在发现生命形式的首个证据。”

  众所周知,水是生命之源。事实上,这并非人类首次证实火星上有“水”的存在,为什么还会引发如此强烈的反响?

  “原因要从人类开始火星探测的初衷讲起。”河北师范大学物理科学与信息工程学院天体物理学教授崔文元说,几个世纪以来,人们始终对地球之外是否存在着未知生命充满好奇,其中,火星无疑是最引人注目的——它和地球都是岩石地面,都拥有变换的四季和寒冷的两极。它距离地球最近约为5500万公里、最远达4亿公里,除了稀薄大气层和较低重力之外,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。

  “随着航天时代的开启,全球多国都启动了火星探测计划,人们想知道,这位地球‘邻居’是否会成为人类在宇宙中的‘第二家园’。”崔文元说。

  但是,各种探测器传回来的照片并不乐观,科学家们只看到了干燥的沙漠和遍布的石块,到处都是一片死寂。尽管如此,火星的魅力却依然不减:它以前是否有过生命活动的迹象,如今有没有微生物存在,未来是否适宜人类居住……太多待解的谜团,吸引着科学家们孜孜探求。

  “期间,寻找火星上是否存在或存在过液态水,成为科学研究和发现的一个重点。”崔文元说,这是因为,液态水是生命产生的先决条件,它能帮助生命体进行化学反应、运输养分、清除废物等,是生命演化的基础。

  据《国家地理》杂志网站报道,数十亿年前,火星可能像地球一样温暖,并被海洋覆盖。作为证据,科学家在火星表面发现了大量干涸的河谷和湖泊痕迹,甚至还在一条干涸的小溪中找到了鹅卵石,并推断出当时溪流的速度和深度。

  即便是现代,火星上依然可见“水”留下的蛛丝马迹:在“凤凰号”着陆器的着陆腿上,科学家观察到了冷凝的水滴;而从NASA火星探测器传回的高分辨率照片中,一些“手指状”条痕会随着季节的更替时隐时现——它们被称为“季节性斜坡纹线”,科学家认为,含盐的液态水是这些神秘条痕的形成主因。

  “尽管科学家已多次在火星上发现‘水’的痕迹,但它们不是出现在大气、永久冻土或极地上,就是季节性地渗透到火山口的斜坡上。要么存留时间太短,要么处于难以接近的地带,难以支撑生命的延续发展。”崔文元说,想要孕育生命,必须要有稳定的液态水体,“而这,正是此次在火星上发现液态水湖备受瞩目的原因。”

  由于卫星雷达观测的间接性质,目前,科学家并不排除会对新发现的液态湖泊作出其他解释,比如是冰冻的二氧化碳(即干冰),而非水。但意大利国家天体物理学研究所的罗伯托·奥罗塞仍坚持:“我们不知道那里是否存在生命,但如果你想在火星上寻找生命,那么这里是值得关注的首要位置之一。”

  火星气候寒冷,为什么冰盖之下的水不会结冰呢?“答案或许在地球上就能找到。”崔文元说。

  在地球的南极,尽管年平均气温已达-60℃左右,但在冰层之下仍然有湖。专家认为,形成这种现象的原因是,地球南极厚达4.8千米的冰盖,就像一床保温被,可以起到隔热保温的作用,使湖水与寒冷的地表隔绝。此外,冰层的压力还可以降低水的冰点,再加上来自地球内部的热能融化了冰川的底部,从而允许了液态水体的存在。

  “火星的南极比地球上的南极更加寒冷,数据显示,其冰盖底部的温度约为-68℃左右。因此,在火星1.5千米厚的冰盖下,流淌的绝不可能是纯净的液态水体。但含盐的液态水体仍然可以存在,这是因为,除了上面冰层的压力外,湖泊中的盐类物质还会进一步降低水的冰点。”崔文元说。

  比如海水,其盐度通常介于32‰至37‰之间,当气温降至-2℃时,就会结冰。而在南极麦克默多干燥的山谷中,盐水湖的盐度可达到200‰,在那里即便气温已降至-13℃,但水依然可以保持液态不会结冰。

  “在火星表面,科学家已经发现了钠盐、镁盐、钙盐,水中如果含有这些盐类物质,可以将水的冰点降到-74℃。当位于冰盖底部时,由于盐类的存在,液态水体依然可以稳定存在。”中国科学院国家天文台研究员郑永春说,“此前,‘凤凰号’着陆腿上的露珠及斜坡上季节性冻融的液态水,都证明水中含有盐类。”

  在这次新发现中,科学家推测,火星南极冰盖下稳定的液态水湖中,就含有高浓度的高氯酸盐,就像一潭浓浓的“卤水”。在如此艰难的环境下,是否还有生命的奇迹等待人类去探索和发现?

  “马里亚纳海沟”位于1万米的海洋深处,长年黑暗,海水压力是地表大气压的1000多倍。如此极端的环境下,那里却存活着一些外形像虾的片脚类动物、海参、线虫及其他生物。它们具有更加柔韧的细胞膜,并利用三甲胺氧化物来帮助蛋白质折叠成正确的三维形状,从而适应深海的高压环境。

  水熊虫,一种小型无脊椎动物,能以顽强的生命力活跃在极寒的深海和极热的沸泉中。当环境干旱时,它们会将自己蜷缩起来,关闭所有新陈代谢系统,静心等待环境改善,甚至可以存活120年。科学家曾经把它送去外太空试验,发现其能承受5.7万伦琴的X射线伦琴就足以杀死人类。

  对地球上的普通水中生物而言,高浓度的盐水会使得生物细胞渗透失水,进而导致生物死亡。但在崔文元看来,盐度很高的水并不代表生命不能存在,“科学家们发现,在地球的某些极端环境中,如美国加州死亡谷、中国青海柴达木以及新疆塔克拉玛干沙漠,一些盐度极高的水中也发现了大量的生命。”

  众多专家也表达了对探寻火星生命的乐观看法,“液态水就在那儿,它是咸的,而且还和周围的岩石有接触。有很多理由可以相信,那里面会存在生命,或者那儿具备维系生命存在的条件。”

  冰冷的火星神秘而“充满生机”,人类对其痴迷程度,甚至已经超过了“朝夕相伴”的月球。

  媒体报道显示,截至2016年底,全球共进行了约115次月球探测,44次火星探测。但自20世纪90年代至今,人类共进行了14次月球探测,而火星探测却多达18次。目前,太空中仍有5个火星轨道器和2辆火星漫游车在工作。

  “目前全世界的航天大国都制定了以火星为目标的探测计划,我国自然也不甘落后,开展火星探测的可行性论证与探月工程几乎同步。”崔文元说。

  据了解,我国首次火星探测任务已于2016年4月正式立项,计划在2020年实现火星轨道器环绕探测和火星车软着陆巡视探测。不同于“好奇号”火星车将配有高精度仪器的实验室搬到火星,我国计划利用“火星轨道器+火星车”的“天地组合”模式协同开展工作。

  “我国首次火星探测任务将突破火星环绕、着陆、巡视探测等关键技术,实施环绕和巡视联合探测,通过开展火星全球性的综合探测及局部地区高精度科学探测,研究火星的内部、表面、大气及空间环境,涉及太阳系起源与演化、地外生命信息探寻等重大科学问题。”崔文元说。

  火星土壤里有很多红色赤铁矿,由于地表气压低、风速大,火星表面经常出现台风,区域性沙尘暴有时还会引起全球性红色沙尘暴,这也是其被称为“红色星球”的原因。尽管人类尚未踏足,但对如何改造火星、使其更适宜居住,科学家们已经有了初步设想和行动方案——

  可人为增加火星大气中二氧化碳等温室气体浓度,增强火星大气层温室效应,提高火星表面温度,使火星极区干冰升华和水冰融化。“干冰升华可增加大气层二氧化碳浓度,持续提高火星大气压。而水冰融化和地下水排出可在火星赤道区域保证水的自由流动,用于农业灌溉。”崔文元说。

  通过引种适宜在火星生存的植物,产生氧气,改变火星大气组分,建立火星表面生态环境,为人类在火星上自由行走提供条件。而后,建立“火星基地”,开展农牧业,实现粮副产品自给,建设能源和原材料工业设施,建设人类生活基础设施。最后,便可真正实现火星移民或火星旅游了。

  “此次科学家在火星上发现的液态湖泊如果能够确证是水,那么,我们就可以大胆设想,火星本身就拥有大量水体,像地球上含盐的海水经过淡化后可供饮用一样,经过一系列技术处理,就能满足我们未来定居或其他生活用水需要。”崔文元说,有了水,如果人类能够再顺利解决火星的磁场问题,它就有希望变成生机勃勃的“蓝色星球”。