火星找水记

于鹏翔

2020年7月23日12时41分，长征五号运载火箭载着我国首个火星探测器——“天问一号”向着遥远的火星飞奔而去。火星是地球的邻居，也是我们肉眼可见的五颗行星之一。作为和地球自然环境最接近的一颗行星，火星成了人们移居外星的首选。不过，移居的首要条件是水，为了在火星上找到水， 人们开始了漫长的探测之旅。1960年10月10日，苏联发射了人类首个火星探测器“火星1A号”，并在4天后发射了第二个火星探测器“火星1B号”，虽然这两个探测器最终都没有完成预定任务，但是人类探索火星的大幕就此拉开，随后一个个谜团被解开。那么，火星上到底有没有水呢？火星到底适不适合人类移居呢？

火星上的“运河”

1877年8月，对火星进行过长期观测的意大利天文学家乔凡尼·夏帕雷利再次将望远镜对准了火星。这一次观测正值火星大冲期间。所谓“大冲”就是火星离地球最近的时候，这时候是我们观测火星最好的时机。夏帕雷利连续几晚目不转睛地观测火星，同时把自己观测到的景象一点点绘制出來，他非常期待能有新的收获。突然，他发现火星上隐约有一些纵横交错的细线，他仔细地把这些细线标注在自己绘制的火星地图上。随后的日子里，夏帕雷利经常端详自己绘制的火星地图，思索着这些深深浅浅的条纹究竟是什么。他猜测这些条纹也许是火星上的河道，是水流过的痕迹。夏帕雷利将自己的发现写进书中，广为流传。但是一个误会也由此诞生：当他的著作被翻译成英文的时候，意大利文中的河道（canali）被翻译成了英文的运河（canals）。“差之毫厘，谬以千里”，河道可以是天然形成的，只能说明这里从前或者现在有水流过。但是运河是人工开凿的，火星上有运河就说明火星上有“智慧生物”。这本翻译有误的书恰巧被美国的一位年轻人帕西瓦尔·洛厄尔看到。这位家境富裕又热爱天文学和数学的年轻人对于夏帕雷利描写的这些火星条纹非常感兴趣。为了观测研究，洛厄尔干脆在1894年建了一座天文台用于观测火星。由于错误的翻译，洛厄尔一直误认为这些条纹就是运河。他坚信火星上一定存在智慧生命，火星大部分是干旱地带，但两极一定有冰盖，火星人会在每年冰盖融化的时候从中取水，而那些纵横交错的火星运河就是取水的通道。洛厄尔把这些观测和猜想写成书向公众介绍。一时间，关于火星运河和火星人的报道铺天盖地。火星上的水没有找到，火星人却成了一个有趣的误会。直到1909年，希腊裔天文学家安东尼亚第通过巴黎天文台的83厘米望远镜长期观测火星后认定，传说中代表“火星运河”的那些条纹其实只是一种视觉误差。

探寻水的痕迹

火星上有着众多的沟壑和峡谷，这些地貌究竟是火星内部的地质运动造成的，还是地表的流水冲刷造成的呢？为了解开这些谜团，1962年，美国开展了“水手计划”系列探测，其中1971年发射的“水手9号”探测器抵近火星后，拍摄到火星表面大约70% 的面积。当这些清晰的照片传回地球后，人们终于确认火星上存在河床和峡谷等河流冲击侵蚀而成的地貌特征，随后发射的“海盗号”火星探测器发现了更多类似的地貌特征，这些地貌证明了在很久很久以前，火星上的确存在过液态水，甚至存在巨大的河流和大面积覆盖火星表面的海洋。但是，这些探测器发回的照片也印证了现在的火星已经是一颗荒芜的干燥行星，不再存在大规模的液态水。

正常情况下，水有三种状态：液态、固态和气态。没有液态水，那火星会不会有其他形态的水呢？最有可能存在固态水的就是火星南北两极的极冠了，它们体积巨大，甚至在地球上用民用天文望远镜都能看到。很早之前人们就猜测火星极冠就像地球的南北极一样是由冰川构成的。在20世纪40年代末，著名天文学家柯伊伯就通过分光观测的方法判断火星极冠是由巨大的水冰构成的。我们之前提到的“水手号”和“海盗号”探测器则更精准地探测出火星极冠是由固态二氧化碳和固态水共同组成的。与此同时，通过对火星大气成分的进一步分析，科学家们还发现火星的大气中含有约0.03%的水汽。

关于火星上到底有没有水的疑问似乎已经得到答案。但是，人类火星探索的脚步却并未停歇。除了环绕火星飞行的探测器，科学家们还将火星着陆器和火星车送到了火星表面。

2008年5月，“凤凰号”火星着陆器稳稳地停在了火星的北极地区，它的任务就是对火星的极地环境进行探测，寻找那些可能适合微生物生存的环境，并研究火星上水存在的历史。为此，它搭载了各种照相机、传感器以及一条长达2.3米的机械臂。这条人类伸向火星的长臂可以挖掘火星地下的土壤，让凤凰号能够对火星进行更深入的分析。就在凤凰号登陆火星的第二个月，机械臂挖开了一小块土壤，在土壤中发现了几块很小但是闪亮的东西。四天之后，这些闪亮的物质消失了，它们去哪儿了呢？科学家认为这些闪亮的物质就是水冻结成的冰，而它们消失的原因就是升华了。因为火星太冷了，表面上的冰没有机会化成水，但是它们可以直接从固态冰变成气态的水汽，这种水的变化就叫作升华。凤凰号的探测结果直接证实了火星上存在着水。

到了2013年，已经着陆一年的好奇号火星车执行了一项新任务：它用机械臂在火星表面抓取了土壤，在对其进行加热后，发现火星的土壤里包含1.5%～3% 的水。与此同时，火星土壤中还含有大量盐类物质，这说明火星土壤中蕴含的并不是人类最需要的淡水，而是比地球海水还要咸的卤水。但是通过蒸发等方法，我们依然可以将火星土壤中的水分提取出来。

知道了火星地表存在固态水，土壤中也存在水分的好消息，人们还是想知道火星到底存不存在液态水！ 2018年，人们有了一个更加重大的发现：欧洲天文学家通过环绕火星飞行的“火星快车号”探测器对火星南极进行了雷达扫描，在火星南极冰盖下1.5千米处发现了一个直径约20千米的湖。类似的地下湖在地球南极冰盖之下也存在，而这个火星地下湖中存在的正是人们期待已久的大量液态水。这些水很有可能也是含盐度很高的盐卤水，也正是高盐度让这里的水在-74℃的低温下还能保持液态。

即使发现了这么多有水的证据，但关于火星的疑问还是有很多。火星历史上有过河流纵横、波涛汹涌的时代，那么这些水为什么消失了？是因为火星引力小留不住水，还是因为火星磁场消失，太阳风吹散了火星水？又或者因为火星气压低，水分直接沸腾汽化了？火星上有液态水，那火星上到底有没有生命？未来人类能移居火星吗？火星极冠上的冰冻水我们如何利用？土壤中的水分我们能收集吗？南极冰盖下面的卤水湖我们可以抽取吗？

“天问一号”的远征，正是为了让我们可以获取关于火星的第一手资料。希望肩负重任的“天问一号”和各国的火星探测小伙伴可以给我们带回更多的发现，帮我们解开火星之“惑”。