冰现水星

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻译 程思淼

冰现水星

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻译 程思淼

图片来源APOD。

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）百人计划学者。

水星上有冰？这怎么可能？

最近，一艘环绕水星的探测器发现了其表面有冰存在的证据。这些水冰就是我们在地球上看到的那种，只不过可能被一些沙尘颗粒所污染，或者表面覆盖了一层薄薄的脏东西。在这样一颗极为炽热的行星上竟然有冰，似乎不太可能。不过既然确实发现了证据，就说明至少在它表面的某些地方，是长年酷寒的。

与地球不同，水星的表面没有大气层。地球表面的大气通过环流，可以把热量从温度高的地方带到温度低的地方，但在水星上不可能发生这样的事。在水星表面的某个地方，只有当它被阳光直接照到的时候，才会变得暖和起来。当然，某个地区被加热后，通过表面岩石的热传导，周围的地区也会接收到一点热量，但是非常少。

水星上没有大气，这同时也造成了水星表面巨大的温差。水星表面处于白昼的地方，温度可高达470摄氏度。而处于夜晚的地区，由于没有大气阻止热量的散失，表面温度可以骤降到零下70摄氏度。由于自转轴与公转平面几乎垂直，在水星南北极附近，阳光几乎永远是从地平线上射来的。因此，一些环形山高耸的环壁，就可能挡住强烈的阳光，在环形山底部形成永久的阴影区。一旦有水冰在那里出现，它们就可以在那里存在很长一段时间。

“信使号”的水星任务

图1 “信使号”搭载的仪器包括水星双重成像系统（MDIS）、伽玛射线与中子频谱仪、X射线频谱仪（XRS）、磁力计（MAG）、水星激光测高仪（MLA）、水星大气和表面成分频谱仪（MASCS）以及高能粒子和等离子频谱仪（EPPS）。这些仪器通过数据处理单元（DPUs）与探测器相连。考虑到要携带入轨所需推进剂的质量，“信使号”的有效载荷——也就是这些仪器全部加起来——不能超过50千克。而且，它们只能安装在看得到水星而又不至于被太阳光直接照射的地方。在严酷的空间环境中，保证仪器始终处在合适的温度范围内也是必要的。

这些水星上的冰是由美国宇航局（NASA）“信使号”上搭载的探测器发现的。“信使号”是第一艘进入环绕水星轨道的探测器，载有7台科学仪器，并对水星的表面进行雷达探查，以揭开这颗离太阳最近的行星演化历史的秘密。“信使号”（MESSENGER）意指“水星表面”（MErcury Surface）、“空间环境”（Space ENvironment）、“地质化学”（GEochemistry）、与“高程测量”（Ranging）。在环绕水星运行的三年多时间里，“信使号”共拍摄了超过250000张图像，并采集了大量其他相关数据。

这是“信使号”第一次在水星北极区环形山的永久阴影中获得水冰和其他冻结挥发性物质的光学图像。据最近发表在《地质学》（Geology）上的一篇文章称，这些图像不仅显示了冻结的挥发性物质的形态，而且提供了这些冰状物出现时间以及如何演化的信息。

“信使号”于2004年8月发射升空，2011年3月进入环绕轨道，开始了其对水星为期一年的研究。2012年3月，“信使号”第一次延长服役期，为期一年。目前，它正在处在第二次延长服役期，预计于2015年3月结束。

图2 由“信使号”探测器2012年拍摄的水星北极地区，其中雷达波高反区为黄色。那时科学家已经高度怀疑这些雷达回波强烈的沉积物是水冰，这一假说最近被更为精细的观测所证实。图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington。

水星上的冰：不是新概念，但绝对是新发现

20年前，陆基雷达获得的图像就显示，水星两极附近的环形山中有挥发性沉积物出现。虽然当时还并不知道它们的成分，但是科学家构造的模型预测出其中很可能含有水冰。现在，通过中子光谱、热力过程模拟以及红外反射光谱的结果，“信使号”进一步确认了这一假说。

图3 强烈反射雷达波的沉积物和永久阴影区。红色表示的是由“信使号”探测到的水星北极地区处于阴影之下的范围。由陆基雷达成像得到的极地沉积物用黄色表示。背景由“信使号”拍摄的图像拼接而成。图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/ Carnegie Institution of Washington/National Astronomy and Ionosphere Center, Arecibo Observatory。

图4 水星北纬75度以北的北极地区地形图。表面高程由“信使号”搭载的“水星激光测高仪”于2012年测得。地图中心附近是直径110千米的普罗科菲耶夫（Prokofiev）环形山，其内部盆地比周围的陆地要低5千米。水星北极点在图中康定斯基（Kandinsky）小环形山左边、托尔金（Tolkien）小环形山下面的位置。

自“信使号”2012年第一次延长服役期伊始，科学家们就试图对这些挥发性物质进行成像观测，以确定它们的可能成分。而研究水星表面这些“暗影”地区的一个主要困难在于很难获得清晰的图像。虽然这些极地沉积物处在永久阴影当中，科学家们还是通过先进的成像技术，借助环形山壁漫反射的微弱阳光，最终获得了沉积物的图像。

研究人员首先注意到的是普罗科菲耶夫（Prokofiev）环形山，这是水星北极地区出现强烈雷达回波物质所处的最大环形山。图5中显示了密集的雷达回波区。在覆盖广泛的水冰层下方，人们发现了一个小的撞击结构，无疑，水冰层是在下方的撞击坑形成之后才出现的。

图5 普罗科菲耶夫环形山（Prokofiev，左上图中以青色标出）直径110千米。黄色轮廓标识的是雷达回波强烈的区域。雷达信号由位于波多黎各的阿雷西博（Arecibo）射电望远镜发射和接收。该图显示了普罗科菲耶夫环形山内部永久阴影区的表面结构。右边是粉色方框区域的放大图。该图中雷达回波强烈的区域（黄色标出）中可见光反照率也很高，这说明那里很可能存在着覆盖岩石表面的冰层！雷达回波强烈的区域之下还有若干小的撞击坑——撞击产生的抛射物并没有覆盖、遮住明亮的冰层，表明这些水冰沉积物是在撞击坑产生之后才形成的。换句话说，就是这些冰层还很年轻。图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington。

在其他地区，人们也发现了水冰，不过大多被一层薄薄的暗色尘埃状物质所覆盖，而且在这些覆盖物中似乎存在着冻结的有机化合物。在这些区域的图像中，暗色沉积物显示了清晰的边界。这一结果有些出乎意料，因为清晰明确的边界表明，这些挥发性沉积物产生的地质年代非常晚。

图6 柏辽兹环形山（Berlioz，粉圈标出）直径31千米，比康定斯基（Kandinsky）和普罗科菲耶夫（Prokofiev）环形山所处的地区要温暖一些。因此，虽然环形山内部的一些地区也处于永久的阴影当中，但其表面温度仍然不允许水冰存在。不过，在地表以下一点儿的地方，温度就非常低，足够水冰稳定存在了。该图显示了地下可能存在水冰的地区。左图是柏辽兹环形山的景观，其中雷达回波强烈的地区用黄色标出，红色标出的是永久阴影。中图是在左图基础上拍摄几个小时之后获得的，是一幅长时间曝光的图像，其中可以看出环形山底部一块明显的暗区。如右图所示，这块暗区的位置与形状刚好与雷达回波和永久阴影标定的区域吻合。科学家认为，这些暗色沉积物主要是通过滞留沉积过程堆积下来的冻结有机物（详见图7）。图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington。

一个大问题自然出现了：水星极地的这些水冰是从哪里来的？一个广泛被大家所接受的假说是，它们是彗星撞击时留下的。但是，彗星是在什么时候撞击水星的？这些冰层的年龄是否已有数十亿年？抑或它们只是最近才形成的？了解这些沉积物的年龄，将有助于我们了解类地行星上水的来源，包括我们的地球。大体上说，“信使号”拍摄的图像表明，这些位于水星极区的沉积物要么是最近从其他行星上（一次性）带来的，要么是通过某种现在仍在进行的（我们尚不了解的）过程，在水星表面渐渐积累起来的。

除了“信使号”以外，其他探测器还用类似的技术手段发现了月球极区环形山里的水冰。从某种意义上说，除了月球上的温度比水星要低得多以外，水星和月球还是十分相似的。不过，“信使号”的图像又揭示了月球与水星的一个重要区别，这或许能为科学家对冻结沉积物年龄的研究投下一缕阳光：在水星的极区，有大量的区域显示有水冰存在；而月球上极地永久阴影区的温度比水星上要低得多，具体情况也大不相同。

对月球与水星这一区别的解释是，科学家认为水星极区的挥发性沉积物是较近期才形成的。如果当前水星上的大量沉积物真的是一次长期过程的近阶段产物，那么可以设想，在漫长的历史中，曾经有数量相当可观的挥发性物质被带到内太阳系来。

这个问题非常关键，因为一旦理解了两者为什么会有区别，你就看到了决定两者特征背后的过程。而正是这一过程决定了太阳系中水冰的年龄与位置分布。毫无疑问，这趟探索之旅还将继续下去。

图7 人们认为水星上的水冰是来自彗星的撞击。关于这些水冰沉积物是如何形成的，最新的理论如右图所示。A.一个位于高纬度的撞击坑，在倾斜阳光的照射下，其被照亮的半边环壁温度最高、被照亮的坑底温度较低、永久阴影区域则是极度寒冷。B.一颗彗星或富含水分的小行星（同时含有有机物成分）撞击了水星。C.彗星或小行星上的水和有机物散落到了水星上的大面积区域，其中一小部分位于极区。在极区的低温下，水结成了冰，有机物被冻结在水冰当中。D.随着时间流逝，覆盖在环壁温暖区的水冰渐渐融化、蒸发了，表面只剩下更加稳定的有机物杂质。E.水冰继续挥发，有机物继续沉积，最后稳定下来。在最寒冷的地区，水冰仍然留在最表层。而在较温暖的地区，残留冰层的上方则被一层已经失去了水冰的有机杂质层所覆盖，这层有机物因长期暴露于空间环境之下，被尘埃污染而变成了暗色。图片来源：NASA/UCLA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/ Carnegie Institution of Washington。

在我们的太阳系里，有什么地方没有冰吗？

在我上高中的时候，老师告诉我们地球是非常特殊的，因为这里有水存在，而水对生命的起源与演化十分重要。但现在我们已经发现，太阳系里几乎所有的天体上都有水。水星和月球的极地上有水冰。火星地下的土层和两极的极冠中有大量的冰。木星、土星、天王星和海王星的内部存在容量巨大的水。而且在这四颗行星的几乎所有大卫星上，都有冰层覆盖的表面和/或表面之下的液态水海洋。甚至连彗星和柯伊伯带天体（包括冥王星和它的卫星）也大多含有冰。这样看来，水其实一点也不稀罕！事实上，只有太阳和金星上没有水。虽然只有地球上存在着覆盖星体表面的液态水，但如果未来的太空旅行者需要，很多其他行星上的水也都是完全可以利用的！

图8 康定斯基环形山（Kandinsky，轮廓由青色标出）直径60千米，位于水星北极点附近，并且有证据表明其中存在水冰。康定斯基环形山的底部常年处于阴影之中，从未受到太阳直接照射，非常寒冷。不过，通过周围环壁漫反射光线的照明，“信使号”拍摄的这张图像还是能够揭示出阴影区的地形结构。上、下两幅图拍摄的位置完全相同，不过通过亮度和对比度的调整，处在阴影中的底部结构在下图中清晰地展现出来。图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/ Carnegie Institution of Washington。