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研究种类：Space Exploration, Mars, Water on Mars
原文作者: ScienceDaily
创作者：Heyyawn@DAOrayaki.org
审核者：skyh@DAOrayaki.org
原文: Brief presence of water in Arabia Terra on Mars; Liquid water beneath Martian south polar cap?; Hope for present-day Martian groundwater dries up in new study; New study indicates limited water circulation late in the history of Mars
火星作为一颗与地球最相似的太阳系行星，一直是人们太空移民的首要目标。而水作为生命之源，因此了解火星上水的分布和状况对评估火星孕育生命和为未来人类探索提供可用资源的潜力至关重要。
众所周知，火星拥有大量固态或气态的水。而地表岩石清楚地表明，在遥远的过去，火星上有液态水。但今天的火星上是否还有液态水一直存在争议。
火星上的阿拉伯高地曾短暂存在过水
火星曾经存在的水系主要是来自卫星遥感影像的推测。
作为北亚利桑那大学（NAU）和约翰斯·霍普金斯大学的合作者团队成员，NAU 博士候选人 Ari Koeppel 最近发现水曾经存在于火星上名为阿拉伯高地的地区。
阿拉伯高地（Arabia Terra）位于火星的北纬地区。这片古老的地区于 1879 年由意大利天文学家 Giovanni Schiaparelli 命名，其占地面积略大于欧洲大陆。阿拉伯高地包含陨石坑、火山口、峡谷和美丽的岩石带，让人联想到彩色的沙漠或荒地国家公园（Badlands）的沉积岩层。
这些岩石层及其形成方式是 Koeppel 及其导师、NAU 天文学和行星科学系副教授 Christopher Edwards 以及约翰霍斯 · 普金斯大学的 Andrew Annex、Kevin Lewis 和本科生 Gabriel Carrillo 的研究重点。他们的研究名为“火星上流水的脆弱记录”。该研究得到了美国国家航空航天局火星数据分析计划的资助，最近发表在《地质学》上 。
Koeppel 说：“我们特别感兴趣的是利用火星表面的岩石来更好地了解 30 亿至 40 亿年前的环境，以及是否可能存在适合火星表面生存的气候条件。对于是否在过去存在过稳定的水，稳定的水可能存在了多长时间，大气曾经可能是什么样的，以及地表温度曾经有多高。我们也对此感兴趣。”
为了更好地了解岩层是如何形成的，科学家们聚焦于热惯性。热惯性定义了一种材料改变温度的能力。沙子由细小而松散的颗粒组成，会迅速增热或散热，而坚固的巨石在天黑后仍会长时间保持温暖。通过观察表面温度，他们能够确定研究区域内岩石的物理特性。当一种材料看似坚固时，他们可以判断该材料是否松散并受到侵蚀。
Edwards 说：“这些沉积物覆盖了火星的大部分表面，但此前没有人对这些非常有趣的沉积物进行过深入的热惯性研究。”
为了完成这项研究，Koeppel 在轨道卫星上使用了遥感仪器。Koeppel 说：”就像地球上的地质学家一样，我们研究岩石是为了讲述关于过去环境的故事。在火星上，我们受到更多的限制。我们没法到露出地面的岩石处收集样本——我们非常依赖卫星的数据。因此，有几颗卫星围绕着火星运行，每颗卫星上都载有一系列仪器。每台仪器在帮助我们描述地表岩石方面都发挥着各自的作用。”
通过使用这些远程收集的数据进行的一系列调查，他们研究了热惯性、侵蚀证据、陨石坑的状况以及矿物质的构成。
Koeppel 说：“我们发现这些沉积物的凝聚力远不如此前所有人所认为的那样，这表明这种环境只可能在很短的时间内存在过水。对于有些人来说，这抢了这个故事的风头，因为我们常常认为，在更长的时间里存在更多的水意味着曾经存在生命的可能性更大。但对我们来说，这实际上很有趣，因为它引出了一整套新问题。那里是否存在过冰山，但随着大洪水暴发而迅速融化了？那里会不会有过一个地下水系统，它曾经短暂渗出地表，但之后又沉降回去了？”
Koeppel 的大学生涯开始于工程和物理学，但在纽约城市学院获得硕士学位后转而学习地质科学。他来到 NAU 与 Edwards 一起工作，并沉浸在 Flagstaff 蓬勃发展的行星科学社区中。
Koeppel 说：“我投身于行星科学领域是因为探索地球以外的世界让我感到兴奋。宇宙大得惊人，甚至火星也只是冰山一角。但我们已经研究火星数十年了，已经积累了大量数据。我们研究火星的水平已经开始能与研究地球的方式相比拟，这对火星科学来说是一个非常激动人心的时刻。”
现在的火星是否存在液态水？
火星南极盖下可能存在盐水？
长期以来，人们一直怀疑火星极冠底下存在液态水，但并未观察到。
2018年，科学家们报告声称， “火星快车（Mars Express）”航天器上的低频雷达 MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) 仪器调查了 Planum Australe（也称为南极盖，South Polar Cap[5]） 地区，接收到了异常明亮的地下反射，并将此特征解释为火星上稳定的液态水体。
但在传统模型中，假设火星南极盖的温度远远低于水的熔点，这使得许多科学家对液态水的存在表示质疑。意大利领导的研究小组利用以前公布的数据、模拟和新的实验室测量结果来研究这一现象。粘土、水合盐和盐渍冰的提出为对明亮的基底反射来源提供了潜在解释。
西南研究院（Southwest Research Institute）的一名科学家测量了冰盐水混合物在零下145华氏度下的特性，以协助证实火星南极冰盖下的冰粒或沉积物之间可能存在咸水。由 SwRI 地球物理学家 David Stillman 博士进行的实验室测量结果支持了欧洲航天局“火星快车”轨道器上的 MARSIS 所探测到的奇怪明亮反射。
MARSIS 是用于地下和电离层探测的火星高级雷达，它搭载在“火星快车”轨道器上，在火星上空飞行，它有一个 130 英尺的天线，将无线电波反弹到选定的区域，然后接收和分析回波或反射。任何近地表的液态水都应该发出强烈的明亮信号，而遇到冰和岩石的雷达信号会小得多。
“液态水的湖泊实际上存在于北极和南极地区的冰川之下，我们在地球上有类似物来寻找冰下的液态水。” Stillman 说到。Stillman 是探测行星体上任何形式的水（液态、冰或被其他物质吸收状态）的专家，也是描述这些发现的论文的共同作者。"我们知道火星上存在的奇异盐类具有惊人的'防冻'特性，使盐水在华氏零下103度时仍保持液体状态。我们在实验室里研究了这些盐类，以了解它们对雷达的反应。"
在低温下检测材料特性的领域，Stillman 有十年以上的经验。通过在在低温下检测这些材料的特性，以探测和描述地表下的冰、不冻水和整个太阳系的生命潜力。在这个项目中， Stillman 在一个 SwRI 环境室中测量了高氯酸盐盐水（perchlorate brines ）的特性，该环境室在类似火星的压力下产生接近液态氮的温度。
Stillman 说："我的意大利同事伸出援手，查看我的实验室实验数据是否能支持火星冰盖下存在液态水。研究表明，我们不一定有高氯酸盐或氯化物盐水湖，但这些盐水可以存在于冰粒或沉积物之间，并足以表现出强烈的介电反应。这类似于海水如何使海岸线上的沙粒饱和，或者调味剂如何渗透到冰沙中，只不过在火星南极附近一英里的冰层下面，温度为零下103华氏度。"
【在宇宙中寻找水，根源在于寻找潜在的可居住性，因为所有已知的生命都需要水。
Stillman 说："在这种情况下，'跟随着水' 把我们带到了如此寒冷的地方，以至于我们所知的生命无法繁衍。"但它仍然很有趣，谁知道地外生命可能采取了什么样的进化路径？"】
在宇宙中寻找水源的根源在于寻找潜在的可居住性，因为所有已知的生命都需要水。
斯蒂尔曼说: “在这种情况下，‘跟着水走’导致我们生活在如此寒冷的地方，以至于我们所知的生命无法繁衍生息。”。“但这仍然很有趣，谁知道外星生命可能采取了什么样的进化路径呢？“
火星地下水的希望在新的研究中枯竭
如前文所述，在 2018 年，科学家们在火星的极冠下方发现了明亮的雷达反射，他们认为这可以作为液态水存在的证明。
然而，2022 年 1 月 24 日在《地球物理研究快报》杂志上发表的一项新研究对 2018 年的研究提出了挑战。该研究认为这些反射与在这颗红色星球表面发现的火山平原的反射相匹配，而之前在火星冰覆盖的南极下探测到的液态水可能只是一个尘土飞扬的海市蜃楼。
研究人员认为，他们的结论——这些反射来自于埋在冰下的火山岩——是对 2018 年发现的更合理解释。
Cyril Grima 是德克萨斯大学地球物理研究所 (UTIG) 的行星科学家，同时也是该研究的主要作者，他声称：“要让水在如此接近地表的地方持续存在，你既需要一个非常咸的环境，也需要一个强大的、局部产生的热源，但这与我们对该地区的了解不符。”
Grima 基于 MARSIS 三年的数据绘制了地图。当 Grima 在火星雷达图上添加一个假想的全球冰盖时，南极的海市蜃楼消失了。假想的冰层展示了透过一英里厚的冰层观察火星时，火星的地形会是什么样子，这使得科学家能够将整个星球的特征与极冠底下的特征进行比较。
Grima 注意到明亮的反射，就像在南极看到的一样，但它散布在所有纬度。据多次证实，它们与火山平原的位置相匹配。
在地球上，富含铁的熔岩流会留下岩石，会以类似的方式反射给雷达。还有其他可能性，包括干涸河床中的矿床。无论哪种方式，Grima 说，弄清楚它们是什么可以回答有关火星历史的重要问题。
虽然南极帽下可能没有液态水，但火星上有大量的水冰，包括厚厚的极帽。事实上，这项新研究也暗示了火星更潮湿的过去。
约克大学的火星地球物理学家 Isaac Smith 认为，明亮的雷达信号是岩石在水中侵蚀时形成的一种粘土。2021 年，没有参与这两项研究的 Smith 发现，地球上的粘土反射给雷达的亮度很高，就像 2018 年南极研究中的亮点一样。
他说：“我认为 Grima 发现的美妙之处在于，虽然它推翻了今天火星南极下可能存在液态水的想法，但它也为我们提供了真正精确的地方以寻找古代湖泊和河床的证据，并检验关于火星气候在数十亿年间更加干燥的假设。”
Grima 的地图基于 MARSIS 三年的数据，MARSIS 是 2005 年在欧洲航天局的火星快车上发射的一种雷达仪器，积累了大量关于火星的信息。Grima 和合著者 Jérémie Mouginot 是法国格勒诺布尔环境地球科学研究所的研究科学家，他们计划进一步挖掘这些数据，看看 MARSIS 还能发现关于火星的其他信息。
对于 Smith 来说，这项研究是一个发人深省的教训，关于科学进程，地球和火星一样重要。
“科学在第一次尝试时并不是万无一失的，”史密斯说，他是德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地球科学学院的校友。“在行星科学中尤其如此，我们正在寻找从未有人去过的地方，并依靠能够远程感知一切的仪器。”
Grima 和 Smith 现在正在执行拟议的任务，用雷达在火星上寻找水源，既可以作为未来人类着陆点的资源，也可以寻找过去生命的迹象。
火星历史后期水循环有限
水循环指水在一个既没有起点亦没有终点的循环中不断移动或改变存在的模式。当水在移动时，将会在气态、固态和液态，三个状态中不断转变。[8]而现在的火星拥有大量固态或气态的水，若能证明现在的火星存在水循环，那么也可以证明液态水的存在。
由瑞典隆德大学领导的一个研究小组使用中子和 X 射线断层扫描技术研究了来自火星的陨石。这项技术可能会在 2030 年美国宇航局检查这颗红色星球的样本时使用，它表明陨石与水的接触有限，因此不太可能在那个特定的时间和地点存在生命。
2021 年 2 月，NASA 的火星探测器“毅力号（Perseverance）” 在一团浓烟中降落到尘土飞扬的火星表面。数年来，这个探测器将四处漫游并采集样本，它将试图回答大卫 · 鲍伊（David Bowie）在 1971 年在火星上（单曲《Life on Mars？》）提出的问题。到 2030 年左右，美国宇航局才打算将样本送回地球，但现在来自火星的材料已经在研究中——以陨石的形式。在《科学进展》上发表的一项新研究中，一个国际研究小组使用先进的扫描技术研究了一颗大约 13 亿年前的陨石。
隆德大学地质学博士生 Josefin Martell 解释说：“由于水是火星上是否存在生命问题的核心，我们想要研究当陨石仍然是火星基岩的一部分时，有多少陨石与水发生了反应。”
热液系统（hydrothermal system）通常是有利于生命发生的环境。为了回答是否存在任何主要的热液系统问题，研究人员使用了中子和 X 射线断层扫描技术。X 射线断层扫描是一种在不损坏物体的情况下检查物体的常用方法。使用中子断层扫描是因为中子对氢非常敏感。
这意味着如果一种矿物含有氢，则可以从三个维度对其进行研究，并查看氢在陨石中的位置。当科学家研究火星材料时，氢 (H) 总是令人感兴趣的，因为水 (H2O) 是我们所知道的生命的先决条件。结果表明，一小部分样品似乎与水发生了反应，因此它可能不是一个引起变化的大型热液系统。
Josefin Martell 说：“一个更有可能的解释是，在大约 6.3 亿年前的一次陨石撞击中，这种反应在少量地下冰融化后发生的。当然，这并不意味着火星上的其他地方不可能存在生命，或者其他时候不可能存在生命。”
研究人员希望，当 NASA 在 2030 年左右从火星带回第一批样本后，对他们的研究会有所帮助。有很多理由相信，当前的中子和 X 射线断层扫描技术将在这种情况下发挥作用。
“如果我们有机会在位于隆德的欧洲散裂源 ESS 研究机构研究这些样本，那将会很有趣，届时它将成为世界上最强大的中子源。”Josefin Martell 总结道。
参考文献：
[1]维基百科：火星水文
https://zh.m.wikipedia.org/zh-hans/%E7%81%AB%E6%98%9F%E6%B0%B4%E6%96%87
[2]Radar evidence of subglacial liquid water on Mars
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aar7268
[3]本部分编译自：Brief presence of water in Arabia Terra on Mars
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211130150450.htm
[4]本部分编译自：Liquid water beneath Martian south polar cap?
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220125124026.htm
[5]South Polar Cap
https://mars.nasa.gov/resources/25496/south-polar-cap/
[6]本部分编译自：Hope for present-day Martian groundwater dries up in new study
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220124090503.htm
[7]本部分编译自：New study indicates limited water circulation late in the history of Mars
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/05/220513103454.htm
[8]维基百科：水循环
https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E6%B0%B4%E5%BE%AA%E7%8E%AF
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