发现火星水

刘声远

科学家发现火星地下有好几千米深的水体。它能支持生命吗？

欧洲空间局的一个科学家团队于2018年7月25日宣布，他们发现火星南极冰盖下面有一个大型水体。该发现是一项为期10年的专题研究的成果，它可能改变发现火星生命的概率。

真的假的？ 科学界看法不一

直径大约为20千米的这个水体，被隔绝在火星南极冰盖下近1.6千米。其中水的盐度很高，以至于在该水体底部-67.7℃的条件下水依然能保持液态。一旦该水体的存在被最终证实，它就会是迄今为止在火星上发现的最重要的液态水体。有关火星液态水的其他证据，都来自于远古水体和短暂的季节性水流。发现火星上类似于地球南极冰下湖的现有稳定水体，燃起了火星爱好者的一种热望：我们的行星近邻——火星上说不定真的有生命呢！

美国宇航局资深科学家迈克凯表示，就算火星的这座地下湖盐度很高，那里却依然是寻找火星现有生命的最佳去处。还有科学家认为，液态水可能是火星生命的最重要成分。火星有足够能量来推动“化能营养生命”（即无需阳光而是依赖化能合成作用的生命），但之前的问题是未发现有水力系统来维持火星生命（如果真的存在的话）的持续运作。好了，火星地下湖的发现正好解决了这个问题。

但并非所有科学家都对这一发现这么看好。美国宇航局一艘先进的火星探测飞船并未探察到这座火星地下湖，这表明该湖可能是暂时性的，而生命需要永久性水源支持。美国亚利桑那大学教授霍尔特是使用雷达技术探测液态水领域的带头人。他认为，这次发现火星地下水体严格地说只是发现了疑似存在的火星水体，而不是确凿的发现。

火星地下水体（示意图）。

有无生命？ 一些人不抱希望

近年来，行星科学家和天体生物学家一直在搜寻火星水的迹象，毕竟水是我们已知的生命所必需的条件之一。在寻找过程中，他们把目光转向了火星极地覆冰区域，这些区域包含的冰盖和二氧化碳可能会把液态水隔绝在地下。科学家之所以对这些地下水体非常感兴趣，正是因为它们让我们想起地球南极洲的冰下湖，而这些冰下湖中的微生物生命直到最近才被发现。

地球南极洲的冰原一度被看作是一片生物学荒漠，尤其是在巨大的冰体下更被认为不可能存在生命。但在这种认识持续了30年后，科学家终于意识到南极洲竟然是地球上最大的湿地，冰下湖竟然是生命的绿洲。

即便上述新发现被证实，一些科学家依然对火星地下湖适宜于生命不抱太大希望。他们的理由是，就算这座地下湖中有微生物，它们也生活在极为严苛的条件下，而在这样的条件下生命岌岌可危。

按照上述新发现，火星地下湖的位置和深度意味着那里的条件比地球南极洲冰下湖的条件严苛得多。首先，火星地下湖距离火星的冰冻表面只有1.6千米，而地球南极洲已知最大的冰下湖——沃斯托克湖距离地表3.2～4千米。虽然科学家对火星地下湖最深处的温度估计值有争议，但有一点是毋庸置疑的——如果火星地下湖中真的有液态水，那么湖水的盐度就必须很高。高盐度和低温加在一起，微生物就很难存在。虽然地球南极洲有盐湖，但其中“唐胡安水塘”的盐度是海水盐度的19倍，截至目前科学家还没发现这座湖中有生命迹象。该湖中有细胞，但因湖水盐度太高，细胞无法进行代谢。而所有生物都必须进行代谢才能生存。

地球南极冰下湖（示意图）。

地球南极唐胡安水塘。

怎样发现？靠测量介电常数

为了探测火星极地的液态水，科学家需要穿透可能厚达好几千米的冰層。为此，科学家运用欧洲空间局（简称欧空局）“火星快车”飞船搭载的“马西斯”雷达感应器采集了相关数据。从2012年5月到2015年12月，他们花了3年半时间来获取29个雷达数据库，这是因为雷达的最佳工作时段是在夜间，即雷达距离火星表面800千米以内时。但“火星快车”的偏心轨道让它与火星表面的距离在354～9978千米之间变化，这让科学家只在较短时间内能探索火星极地冰盖下的情况。

然而，就在这29个数据库里，科学家发现了火星南极冰盖下一个稳定水体的清晰证据。当初欧空局科学家和工程师所设想的“马西斯”职能，正是在火星表面下寻找液态水。“马西斯”仪器组包括一部雷达测深仪和一根13米长的天线。“马西斯”发射和接收雷达脉冲，这些脉冲反射自火星表面，而且穿透到火星表面下5千米。“马西斯”的工作原理与地球上使用的穿地雷达相似，后者主要探索格陵兰和南极洲冰原下面的情况。

火星水发现过程（示意图）。

穿地雷达通过测量介电常数来运作。介电常数描述的是雷达所穿越的材料的电子特征。一些材料（例如干燥的岩石或二氧化碳）的介电常数比其他材料（例如液态水）的值低，这是因为像水（在氢侧有一个正电荷，在氧侧有一个负电荷）这样的极化材料会改变每次脉冲的两个参数——雷达波穿透材料时的反射量和穿透速度。例如，穿透岩石的雷达波把穿透脉冲反射回天线的速度，比穿透水的雷达波的更快。这样，“火星快车”上的天线先接收到反射自火星表面岩石的雷达波，然后才接收到反射自水的雷达波。这二者的时间差，有助于科学家了解雷达遇到的材料类别。

“火星快车”科学团队发现了火星南极地下一个长度约为20千米的高介电常数区域。这里的介电常数值之高，让人几乎只能联想起液态水，例如格陵兰和南极洲冰川下面湖泊中的水。这一数据也排除了二氧化碳。因为二氧化碳不像水那样极化，所以介电常数值低。

孰是孰非？ 还需进一步探测

“火星快車”在火星水的寻找中并非孤军作战。美国宇航局的“火星勘测轨道器”也一直在向火星表面发射雷达脉冲，寻找火星地下水的迹象。但“火星勘测轨道器”所搭载的雷达仪器组——“沙雷德”并未探测到“马西斯”所探测到的那片高介电常数区域。

运用雷达波探测火星水

当“火星快车”飞到火星南极上空时。它发射雷达波到火星南极冰面，雷达波在那里被反射。部分雷达波穿透冰层。被冰层下的岩石反射。水的反射强度高于岩床反射强度。这就证明冰层下方有液态水。

雷达探测火星地下水源。

然而，“沙雷德”所采用的技术稍稍有别于“马西斯”的。霍尔特说，这两部雷达之间的主要区别是波长。“马西斯”采用的波长超过90米，因而能穿透更深。“沙雷德”采用的波长为15米多，因而能更清晰地探测靠近火星地表的火星地下情况。有科学家认为，“沙雷德”因穿透不深而捕捉不到火星南极地下湖的证据。但霍尔特相信，如果真的存在火星南极地下湖，它也会出现在“沙雷德”的雷达探测数据中。

究竟孰是孰非？火星天空中的“第三只眼”有可能澄清这个争议。计划于2020年发射的中国火星探测器搭载的雷达测深器的传输频率在“马西斯”和“沙雷德”之间。或许，中国火星探测器将在“火星快车”任务结束后接力“马西斯”的观测。最终，如果要想证实欧空局科学家的上述新发现，并且探测到火星液态水的其他源头，就可能意味着要靠雷达技术以外的技术，因为雷达技术只限于探测靠近地表的大量水。

就算雷达技术有缺陷，就算欧空局团队发现火星南极地下湖的证据不算确凿，也仍然有科学家相信我们现在已经有了火星地下水的一些好证据。这也意味着火星地下多个区域可能存在水体，只不过“马西斯”和“沙雷德”不容易探测到它们。

如果能从火星地下水体取样，无疑将能回答许多重大问题。钻到一个火星地下水库中去取水是最直截了当的解决方案，但在外星上干这样的事，其技术障碍是目前无法逾越的。例如，为了钻到地球南极洲冰下探寻生命，科学家运来了几十万吨设备和燃料。要想把如此多的负载送到火星，其成本就目前而言根本负担不了。但这些挑战看来阻止不了一些科学家的“狂想”。正如迈克凯所说：“这（指欧空局团队发现火星地下水体）对火星生物学来说真的是一个很大的新闻。那么，钻下去！钻下去看看！”