火星探索，發(fā)現水之旅

寇曉明　宋麗麗

今天的火星干燥而荒涼，看起來像是最后一片你不到萬不得已不會去考慮尋找水的地方。然而億萬年前，在這顆紅色的星球上也曾有過藍色的天空和湖泊，是個溫暖而濕潤的宜居樂土。這幅藍圖，是近十幾年來美國航空航天局根據火星探測器傳回的測量數據和圖片，重建出來的遠古火星圖景。2014年1月，恰逢“勇氣”號和“機遇”號火星車著陸火星10周年紀念，我們就來聊一聊火星車和這幾年火星上有關水的新發(fā)現。

有關火星曾經存在液態(tài)水的證據已經被提出來好多年了。從20世紀70年代開始的一系列火星探測活動，通過火星探測器和著陸器觀察地表形貌，并借助空間遙感技術，發(fā)現火星南北兩極有大量水冰，大氣中含有少量水汽，地表下可能也有水冰存在。科學家還推斷出古代火星表面有大量河流和湖泊。可這些都是間接的觀測和推論，人類還需要直接的實地考察。隨著技術進步，科學家將無人火星車送上火星，進行實地采樣分析，以進一步證實這些推論。

“勇氣”號于2007年發(fā)現了古代火星在一些地區(qū)有水熱交換系統(tǒng)存在的證據，人們猜想那里古時可能有溫泉，而液態(tài)水和熱能是構成生命的兩大關鍵因素，這讓人們燃起找到生命遺跡的希望。“機遇”號在它所在的奮進號隕石坑附近發(fā)現多種黏土礦物成分，表明此地曾經存在水。此前，盡管有很多證據證明火星上曾經存在大量的水，但這些水大多呈酸性，酸性環(huán)境對生命是不太友好的，而黏土物質的發(fā)現則表明一種更趨近中性的水環(huán)境的存在。2008年，美國航空航天局的“鳳凰”號著陸器在所在地區(qū)發(fā)現了水冰。當“鳳凰”號鑿開厚厚的土壤，并把樣品加熱到冰點以上時，它的質譜儀探測到了水蒸氣的蹤跡。

至于最新的“好奇”號，可以說是火星車里的明星了。它是美國航空航天局火星科學實驗室計劃的一部分，個頭比以前的火星車大，接近3米長，有2米多高，將近1噸重。2011年11月，這輛火星車由阿特拉斯-5型運載火箭從卡納維拉爾角攜帶發(fā)射升空。在經過5.6億千米的長途旅行后，于2012年8月降落在火星上的蓋爾隕石坑，成為第五輛成功著陸的火星車。

“好奇”號是首輛載有火星土壤巖石采集和分析設備的火星車，一個2.1米長的機械臂負責挖掘采集土壤和礦物。采集到的礦物會被加熱，以釋放出氣體，“好奇”號攜帶的四極質譜儀、氣相色譜儀和激光拉曼光譜儀可以從氣體中“嗅”出原子和分子成分。

“好奇”號的一個重要任務就是尋找有機化合物和生命存在的跡象，研究構成生命所必需的元素。科學家希望“好奇”號能對“機遇”號發(fā)現的黏土物質做進一步分析。除此之外，“好奇”號還要研究火星的地質和大氣演化，并觀測火星表面和太空旅行中的輻射，為今后人類登陸火星做準備。

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2012年9月，“好奇”號在火星上發(fā)現了溪水河床的痕跡，進一步證實了之前對火星水文的觀測和推論。2013年9月，美國航空航天局的科學家在著名刊物《科學》上撰文，報道“好奇”號的科學儀器在它的第一鏟火星土壤樣品中“嗅出”大約2%的水，另外還包括二氧化碳、氧氣和二氧化硫。這可不是說“好奇”號發(fā)現了個湖泊或河流什么的，它發(fā)現的是附著在土壤中的水分子，未來的火星移民可以靠加熱土壤來獲得水。在接下來的實驗中，科學家還發(fā)現樣品中有含氯和氧的化合物，可能是氯酸鹽或高氯酸鹽。在之前對火星的研究中，科學家在火星的北極也發(fā)現過同樣的物質，這說明這些礦物質可能遍布火星，說不定是沙塵暴吹的。

在土壤中發(fā)現水之后，“好奇”號用質譜儀對水分子里的氫元素進行了同位素分析，發(fā)現土壤里水的各種同位素比例，與在火星大氣中觀測到的水汽中的同位素比例相同。這說明火星表面的含水土壤可能被風吹得“灰來灰去”，并且與火星大氣發(fā)生著交換反應。

從早期通過在地球上的望遠鏡發(fā)現的所謂火星“運河”，到火星車的實地考察，找尋水一直是人類火星探索中的焦點。這是因為水是產生生命的必要因素之一。如果火星上曾經有過液態(tài)水，那么火星上也很有可能存在過生命，即使不是威爾斯小說中的水母狀火星人，也可能是極容易生存的微生物。就現實而言，水對未來人類登陸甚至移民火星也至關重要。

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然而，想要獲得這些水，還需要一些技術的支持。目前人類的發(fā)現已經為將來火星移民獲取水提供了幾種選擇：居住到火星的南極或北極，加熱那里的冰獲取水；要是嫌南北極太冷，那就降落到有地下水冰的地區(qū)，挖掘開采地下的冰；或者更簡單些，借鑒“好奇”號的經驗，加熱土壤來獲取水。

洛克希德·馬丁公司民用航天主要工程師、“鳳凰”號飛行系統(tǒng)項目主管賽迪維說：“在地球上，我們已經做過用多種不同科技從大氣或者土壤中提取水的實驗。我們現在遇到的問題是，如何驗證這些技術也適用于火星，能夠檢測火星土壤里的水含量以及火星的氣候。”

當然，提取火星水最直接的方式莫過于挖掘火星凍土，并放進烤箱烘烤，讓水以水蒸氣的形式蒸發(fā)出來。國際無線電科學聯(lián)合會高級科學家、已退休的美國航空航天局顧問埃德溫·埃思里奇和他的同事，已經展開了在模擬的月球和火星環(huán)境下用微波技術提取水的研究。

在月球實驗中，埃思里奇和阿拉巴馬漢茨維爾大學的威廉·考克勒用傳統(tǒng)的家用微波爐“烹飪”一些模擬的月球表層土（這是在月球表面發(fā)現的由松軟的土和石子構成的一層土壤），冰凍水就會被蒸發(fā)出來并凝結到一個冷卻板上。考克勒解釋說，水能很好地吸收微波，但冰不行，所以微波要先加熱巖石，然后由巖石將熱傳導給冰。

埃思里奇說，相似原理的微波技術將在火星上得到運用。這種方法最大的優(yōu)勢是不需要太多的挖掘，只有當水深埋于地下時，才需要鉆洞，以便把微波照射進去。

2013年12月，火星偵察軌道探測器又傳回兩張“好奇”號蹣跚行走在火星上的高分辨率照片。“好奇”號現在正朝蓋爾隕石坑中心的夏普山進發(fā)，科學家希望它記錄下一路上火星環(huán)境的變化，從而發(fā)現火星環(huán)境是如何演化的。“好奇”號將行使8.6千米，預計于2014年年中抵達夏普山。希望“好奇”號能帶來更多的發(fā)現，也許是微生物遺跡，也許是某個洞穴里的冰塊。我們拭目以待。