火星的两极也是冰雪世界吗？| 奔·火
2021/3/9 7:00:00 科学大院

     说起地球的南极和北极，大家的脑海中立刻就会浮现冰天雪地、白雪皑皑的画面。那么，地球的邻居——火星，也就是钢铁侠马斯克口中说要移民的星球，它的南北极又是怎样的呢？会不会也是冰天雪地的壮丽模样?

    

     地球南北极(图片来源：NASA)

     初见火星两极

     17世纪末，荷兰天文学家惠更斯利用自己设计的精密望远镜，首次发现火星南北极都拥有一个巨大的“白斑”，像是戴着白色的帽子。虽然这位天文大家当时到底看到的是什么样的景象，我们不得而知，但后来人类通过努力，拍到了红色星球戴着白色帽子的“证件照”。

    

     地球和火星都戴着白色帽子(图片来源：NASA)

     对比发现，地球和火星都戴着白色帽子。帽子，在古代也称为“冠”。我们中国人给火星两极的“帽子”起了个文雅的名字——“极冠”，西方英文则是“Martian polar ice cap”。

     近观火星极冠

     我们可以看到，火星南北两极被厚厚的白色物质所覆盖，白色物质与红棕色地区有鲜明的对比，还可以观测到强风和暴风雨的痕迹。这样的场景，让我们不禁联想到地球南北两极的冰天雪地。有时候，火星上还会有白云出现，遮掩火星表面的地质特征，使人类火星轨道探测器无法拍摄清楚。

    

     火星两极极冠(图片来源：NASA)

    

     2006年火星北极极冠照片(图片来源：ESA)

     神秘的白色物质

     看起来像帽子又像拿铁上拉花的白色物质到底是什么？先人们寻找答案的脚步从未停歇。18世纪末，英国科学家斯托尼就曾设想白色物质是固体二氧化碳，即我们俗称的“干冰”。到了20世纪中叶，天文学家柯伊伯使用分光技术观测，推测白色物质是水冰而不是干冰。受当时科学技术所限，斯托尼和柯伊伯也只能停留在猜测的阶段。

     直到人造探测器对火星进行了多次探测，人类才正式确认极冠中含有85%的二氧化碳干冰和15%左右的水冰。这是对火星认识的巨大进步，也是对先人科学假想的证据回应。

    

     极冠含有水冰和二氧化碳干冰(图片来源：Science)

     随季节变化的火星极冠

     火星探测器传回的照片显示，火星表面大部分地区都是砂石林立、尘土飞扬的干燥荒芜世界，那么两极极冠是如何形成的呢？

     依照地球上的生活经验，看到白雪皑皑、冰天雪地的冰冻世界第一感受当然是“冷”了。作为地球“姊妹星”的火星，也像地球一样，有冬夏轮回。火星与太阳的距离比地球远，表面平均温度比地球低，平均温度约-60℃，两极的温度甚至更低，这使得火星两极主要由水冰和干冰组成的物质永久存在。

     火星极冠会不会随季节而变化？早在20多年前，人类就已经利用哈勃望远镜观测到火星极冠的变化了。地球上有一年四季的变化，火星也一样，北极极冠在每年火星的夏天会蒸发掉约1米的干冰层，而火星南极的干冰层厚度约8米，在整个夏季来不及全部蒸发。这就导致火星极冠每年都会发生变化，与地球南北极冰雪变化类似，夏天温度高的时候，冰雪融化，极冠范围就会缩小，而一到冬季，由于气温下降，大气中的二氧化碳开始凝华，极冠范围随之变大。水和二氧化碳凭借升华与凝结往返于极冠与大气之间，构成了现今火星气候重要的一环。

    

     望远镜观测到的火星北极极冠变化图(图片来源：美国亚利桑那大学)

     极冠不仅蕴含液态水湖，还有陨石坑冰湖

     不论水冰或是干冰，难道极冠就只有固态“冰”吗？早在2018年，意大利科学家奥罗塞(R.Orosei)团队就利用“火星快车号”(Mars Express)轨道器上的雷达数据，发现火星南极极冠下面1.5千米处存在20千米宽的液态水体。而就在2020年9月28日，借助该轨道器上新的雷达数据，意大利行星科学家劳洛(S.E. Lauro)团队最新发现南极乌尔蒂马断崖群(Ultimi Scopuli)下面有3个液态水体，其中最大的水体长约20千米×30千米。这是人类火星探索之旅的重大发现——原来火星上不是肉眼看到的干燥荒芜!

     除了地下层蕴含液态水体外，在火星北极地区大奥林匹亚·昂达沙丘场的南部，有个保持完好的陨石坑——科罗列夫(Korolev)陨石坑。该陨石坑底部位于其边缘下方两公里处，包围着一个约1.8千米厚的圆顶状沉积物，是水冰和干冰的合物。冰上的空气在冷却后比周围的空气重，因此科罗列夫陨石坑内的“冰”永久稳定存在。由于空气是热的不良导体，因此水冰层可以有效地避免被加热和升华。

    

     陨石坑冰湖(利用数字地形模型和“火星快车号”探测数据合成制作)(图片来源:ESA)

     地球上，水是生命之源，是人类生存的宝藏。

     火星上，水冰资源的发现无疑令人欣喜。

     人类正派出火星探测器奔向太空、开往火星，期待这些“先锋们”挖掘出更多“宝藏”，获取更多发现!

     参考文献：

     [1]《火星科学概论》(2015)

     [2]R.Orosei et al., Radar evidence of subglacial liquid water on Mars, Science (2018).

     [3]Lauro,S.E., Pettinelli,E., Caprarelli, G.et al. Multiple subglacial water bodies below the south pole of Mars unveiled by new MARSIS data. Nature Astronomy (2020).

     [4] Mars' Korolev Crater: A massive reservoir of water ice (astronomy.com/news, Dec 21, 2018)

     作者单位：中国科学院月球与深空探测总体部 中国科学院国家空间科学中心

    

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