火星探索，發(fā)現(xiàn)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(jù)火星探測器傳回的測量數(shù)據(jù)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(guān)水的新發(fā)現(xiàn)。

有關(guān)火星曾經(jīng)存在液態(tài)水的證據(jù)已經(jīng)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(shù)，發(fā)現(xiàn)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?？茖W(xué)家還推斷出古代火星表面有大量河流和湖泊?？蛇@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(shù)進步，科學(xué)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(xiàn)了古代火星在一些地區(qū)有水熱交換系統(tǒng)存在的證據(jù)，人們猜想那里古時可能有溫泉，而液態(tài)水和熱能是構(gòu)成生命的兩大關(guān)鍵因素，這讓人們?nèi)计鹫业缴z跡的希望?！皺C遇”號在它所在的奮進號隕石坑附近發(fā)現(xiàn)多種黏土礦物成分，表明此地曾經(jīng)存在水。此前，盡管有很多證據(jù)證明火星上曾經(jīng)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(zhì)的發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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(xué)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(jīng)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(shè)備的火星車，一個2.1米長的機械臂負責(zé)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(zhì)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(wù)就是尋找有機化合物和生命存在的跡象，研究構(gòu)成生命所必需的元素?？茖W(xué)家希望“好奇”號能對“機遇”號發(fā)現(xiàn)的黏土物質(zhì)做進一步分析。除此之外，“好奇”號還要研究火星的地質(zhì)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(xiàn)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(xué)家在著名刊物《科學(xué)》上撰文，報道“好奇”號的科學(xué)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(xiàn)了個湖泊或河流什么的，它發(fā)現(xiàn)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(xué)家還發(fā)現(xiàn)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(xué)家在火星的北極也發(fā)現(xiàn)過同樣的物質(zhì)，這說明這些礦物質(zhì)可能遍布火星，說不定是沙塵暴吹的。

在土壤中發(fā)現(xiàn)水之后，“好奇”號用質(zhì)譜儀對水分子里的氫元素進行了同位素分析，發(fā)現(xiàn)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(fēng)吹得“灰來灰去”，并且與火星大氣發(fā)生著交換反應(yīng)。

從早期通過在地球上的望遠鏡發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生生命的必要因素之一。如果火星上曾經(jīng)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(xiàn)實而言，水對未來人類登陸甚至移民火星也至關(guān)重要。

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然而，想要獲得這些水，還需要一些技術(shù)的支持。目前人類的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(xiàn)在遇到的問題是，如何驗證這些技術(shù)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?！?/p>

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(xué)聯(lián)合會高級科學(xué)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(jīng)展開了在模擬的月球和火星環(huán)境下用微波技術(shù)提取水的研究。

在月球?qū)嶒炛校Ｋ祭锲婧桶⒗婉R漢茨維爾大學(xué)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(xiàn)的由松軟的土和石子構(gòu)成的一層土壤），冰凍水就會被蒸發(fā)出來并凝結(jié)到一個冷卻板上?？伎死战忉屨f，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(dǎo)給冰。

埃思里奇說，相似原理的微波技術(shù)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?！昂闷妗碧柆F(xiàn)在正朝蓋爾隕石坑中心的夏普山進發(fā)，科學(xué)家希望它記錄下一路上火星環(huán)境的變化，從而發(fā)現(xiàn)火星環(huán)境是如何演化的?！昂闷妗碧枌⑿惺?.6千米，預(yù)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(xiàn)，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。