火星找水記

于鵬翔

2020年7月23日12時41分，長征五號運載火箭載著我國首個火星探測器——“天問一號”向著遙遠的火星飛奔而去。火星是地球的鄰居，也是我們肉眼可見的五顆行星之一。作為和地球自然環境最接近的一顆行星，火星成了人們移居外星的首選。不過，移居的首要條件是水，為了在火星上找到水， 人們開始了漫長的探測之旅。1960年10月10日，蘇聯發射了人類首個火星探測器“火星1A號”，并在4天后發射了第二個火星探測器“火星1B號”，雖然這兩個探測器最終都沒有完成預定任務，但是人類探索火星的大幕就此拉開，隨后一個個謎團被解開。那么，火星上到底有沒有水呢？火星到底適不適合人類移居呢？

火星上的“運河”

1877年8月，對火星進行過長期觀測的意大利天文學家喬凡尼·夏帕雷利再次將望遠鏡對準了火星。這一次觀測正值火星大沖期間。所謂“大沖”就是火星離地球最近的時候，這時候是我們觀測火星最好的時機。夏帕雷利連續幾晚目不轉睛地觀測火星，同時把自己觀測到的景象一點點繪制出來，他非常期待能有新的收獲。突然，他發現火星上隱約有一些縱橫交錯的細線，他仔細地把這些細線標注在自己繪制的火星地圖上。隨后的日子里，夏帕雷利經常端詳自己繪制的火星地圖，思索著這些深深淺淺的條紋究竟是什么。他猜測這些條紋也許是火星上的河道，是水流過的痕跡。夏帕雷利將自己的發現寫進書中，廣為流傳。但是一個誤會也由此誕生：當他的著作被翻譯成英文的時候，意大利文中的河道（canali）被翻譯成了英文的運河（canals）。“差之毫厘，謬以千里”，河道可以是天然形成的，只能說明這里從前或者現在有水流過。但是運河是人工開鑿的，火星上有運河就說明火星上有“智慧生物”。這本翻譯有誤的書恰巧被美國的一位年輕人帕西瓦爾·洛厄爾看到。這位家境富裕又熱愛天文學和數學的年輕人對于夏帕雷利描寫的這些火星條紋非常感興趣。為了觀測研究，洛厄爾干脆在1894年建了一座天文臺用于觀測火星。由于錯誤的翻譯，洛厄爾一直誤認為這些條紋就是運河。他堅信火星上一定存在智慧生命，火星大部分是干旱地帶，但兩極一定有冰蓋，火星人會在每年冰蓋融化的時候從中取水，而那些縱橫交錯的火星運河就是取水的通道。洛厄爾把這些觀測和猜想寫成書向公眾介紹。一時間，關于火星運河和火星人的報道鋪天蓋地。火星上的水沒有找到，火星人卻成了一個有趣的誤會。直到1909年，希臘裔天文學家安東尼亞第通過巴黎天文臺的83厘米望遠鏡長期觀測火星后認定，傳說中代表“火星運河”的那些條紋其實只是一種視覺誤差。

探尋水的痕跡

火星上有著眾多的溝壑和峽谷，這些地貌究竟是火星內部的地質運動造成的，還是地表的流水沖刷造成的呢？為了解開這些謎團，1962年，美國開展了“水手計劃”系列探測，其中1971年發射的“水手9號”探測器抵近火星后，拍攝到火星表面大約70% 的面積。當這些清晰的照片傳回地球后，人們終于確認火星上存在河床和峽谷等河流沖擊侵蝕而成的地貌特征，隨后發射的“海盜號”火星探測器發現了更多類似的地貌特征，這些地貌證明了在很久很久以前，火星上的確存在過液態水，甚至存在巨大的河流和大面積覆蓋火星表面的海洋。但是，這些探測器發回的照片也印證了現在的火星已經是一顆荒蕪的干燥行星，不再存在大規模的液態水。

正常情況下，水有三種狀態：液態、固態和氣態。沒有液態水，那火星會不會有其他形態的水呢？最有可能存在固態水的就是火星南北兩極的極冠了，它們體積巨大，甚至在地球上用民用天文望遠鏡都能看到。很早之前人們就猜測火星極冠就像地球的南北極一樣是由冰川構成的。在20世紀40年代末，著名天文學家柯伊伯就通過分光觀測的方法判斷火星極冠是由巨大的水冰構成的。我們之前提到的“水手號”和“海盜號”探測器則更精準地探測出火星極冠是由固態二氧化碳和固態水共同組成的。與此同時，通過對火星大氣成分的進一步分析，科學家們還發現火星的大氣中含有約0.03%的水汽。

關于火星上到底有沒有水的疑問似乎已經得到答案。但是，人類火星探索的腳步卻并未停歇。除了環繞火星飛行的探測器，科學家們還將火星著陸器和火星車送到了火星表面。

2008年5月，“鳳凰號”火星著陸器穩穩地停在了火星的北極地區，它的任務就是對火星的極地環境進行探測，尋找那些可能適合微生物生存的環境，并研究火星上水存在的歷史。為此，它搭載了各種照相機、傳感器以及一條長達2.3米的機械臂。這條人類伸向火星的長臂可以挖掘火星地下的土壤，讓鳳凰號能夠對火星進行更深入的分析。就在鳳凰號登陸火星的第二個月，機械臂挖開了一小塊土壤，在土壤中發現了幾塊很小但是閃亮的東西。四天之后，這些閃亮的物質消失了，它們去哪兒了呢？科學家認為這些閃亮的物質就是水凍結成的冰，而它們消失的原因就是升華了。因為火星太冷了，表面上的冰沒有機會化成水，但是它們可以直接從固態冰變成氣態的水汽，這種水的變化就叫作升華。鳳凰號的探測結果直接證實了火星上存在著水。

到了2013年，已經著陸一年的好奇號火星車執行了一項新任務：它用機械臂在火星表面抓取了土壤，在對其進行加熱后，發現火星的土壤里包含1.5%～3% 的水。與此同時，火星土壤中還含有大量鹽類物質，這說明火星土壤中蘊含的并不是人類最需要的淡水，而是比地球海水還要咸的鹵水。但是通過蒸發等方法，我們依然可以將火星土壤中的水分提取出來。

知道了火星地表存在固態水，土壤中也存在水分的好消息，人們還是想知道火星到底存不存在液態水！ 2018年，人們有了一個更加重大的發現：歐洲天文學家通過環繞火星飛行的“火星快車號”探測器對火星南極進行了雷達掃描，在火星南極冰蓋下1.5千米處發現了一個直徑約20千米的湖。類似的地下湖在地球南極冰蓋之下也存在，而這個火星地下湖中存在的正是人們期待已久的大量液態水。這些水很有可能也是含鹽度很高的鹽鹵水，也正是高鹽度讓這里的水在-74℃的低溫下還能保持液態。

即使發現了這么多有水的證據，但關于火星的疑問還是有很多。火星歷史上有過河流縱橫、波濤洶涌的時代，那么這些水為什么消失了？是因為火星引力小留不住水，還是因為火星磁場消失，太陽風吹散了火星水？又或者因為火星氣壓低，水分直接沸騰汽化了？火星上有液態水，那火星上到底有沒有生命？未來人類能移居火星嗎？火星極冠上的冰凍水我們如何利用？土壤中的水分我們能收集嗎？南極冰蓋下面的鹵水湖我們可以抽取嗎？

“天問一號”的遠征，正是為了讓我們可以獲取關于火星的第一手資料。希望肩負重任的“天問一號”和各國的火星探測小伙伴可以給我們帶回更多的發現，幫我們解開火星之“惑”。