《科学》杂志||未来的火星移民：凿冰饮水，指日可待？
水和有机物，是可能与生命的存在息息相关的重要条件，因此也是深空探测中魂牵梦萦的重要搜寻目标，但这里所说的“水”，其实都是特指的“液态水”。
而固态形式的水，也就是水冰，其实在内太阳系（小行星带以内的太阳系）并不罕有，在外太阳系（小行星带以外的太阳系）就更常见了。毕竟要想让水冰稳定保存下来，需要的条件要简单得多：够冷就行。
那么火星上有没有水冰呢？不仅有，而且还不少。下面我们先从暴露在地表的水冰说起。
火星地表的水冰
火星的南北极地区就常年有大量的水冰暴露在表面上。火星的自传轴倾角和地球差不多（接近25°） ，所以和地球一样，火星也有鲜明的四季变化，也有终年冰封的南北极。只不过，火星的南北极冰盖里不仅有水冰，还有干冰（固态二氧化碳）。再加上火星比地球离太阳更远，总体来说还要比地球更冷一些。
那中低纬区域可能有水冰存在吗？
虽然火星现在的自转轴倾角和地球差不多，但火星历史上自转轴倾角有过从约10°到约60°的剧烈动荡（所以如今和地球差不多的自转倾角只是巧合而已），当自转倾角很大的时候，中低纬甚至赤道区域都有可能像如今的极区一样，有着适宜水冰存在的低温，但随着自转倾角的减小，中低纬度的温度随之增高，地表水冰就呆不住了……所以如果说的是中纬地区的地表水冰的话，答案应该是“没有”。但，地下还是可以有的嘛~如果这些水冰在还没升华散逸的时候就被表层土壤埋起来了，就相当于有了一层隔热层，那么即使是中低纬度也是可能会有水冰的……吧？几十年前的科学家们通过理论分析和对海盗号获取的火星大气数据的分析，做了这样的预测(Leighton and Murray, 1966; Mellon and Jakosky, 1993; Mellon et al., 2004)。
寻找火星地下水冰的漫漫长路
这一预（猜）测（想）在新世纪的火星探测热潮中很快就被着陆器和轨道器传回来的数据证实了。
2001年发射的火星奥德赛号轨道器搭载的伽马射线光谱仪GRS（Gamma Ray Spectrometer ）首次在火星上探测到了氢的存在，间接证实了火星地下含有水冰(Boynton et al., Science, 2002)。哦对了，这家伙和机遇号火星车一样，也是个超长待机的主儿，到现在仍在火星上空工作着。
奥德赛号的伽马光谱仪测量的火星全球超热中子量分布。因为超热中子被氢原子慢化的效率最高，所以观测到的超热中子量越低就代表氢的富集度（水冰含量）越高，白线划定的区域被认为地表80cm以下有稳定存在的水冰。(Boynton et al., Science, 2002 Fig. 6)
而2008年发射、降落于火星北部荒原（Vastitas Borealis）附近的凤凰号着陆器就更加给力了，因为它…直接挖到了水冰…而且既挖到了高纯度的水冰，也挖到了渗透在土壤中的纯度不高的水冰，堪称一记实锤 (Mellon et al., 2009)。但凤凰号的着陆点在火星北纬68°附近，还是挺高的，比这更低的中纬度上还有没有大量的地下水冰存在呢？在没有着陆器和火星车实地挖掘的情况下，我们如何才能知道地下的真实情况呢？
左下和右下是凤凰号挖到的两处水冰示例。(Mellon et al., 2009 Fig. 2)
2009年，亚利桑那大学的Byrne和Dundas团队提出了一种极其巧妙的方法：虽然我们不能亲身去火星掘地三尺，但自有大自然把地下的物质挖出来给我们看呀！他们通过对中纬区域新产生的小型撞击坑进行连续跟踪，发现有些撞击坑中的明亮溅射物在火星勘测轨道飞行器(MRO)携带的CRISM光谱仪的分析中显示出含有水冰。更重要的是，这些亮斑过了几个月消失了！这表明这些年轻的撞击坑挖掘出的确实是地下的水冰，然后这些水冰暴露出地表之后很快就升华散逸了。
左图的两处亮斑（水冰）在几个月后的右图中消失了。(Byrne et al., Science, 2009 Fig. 2
这样的新鲜撞击坑他们一共找到了五处，总体都位于北纬40-55°范围，证明中纬区域的地下确实有水冰存在 (Byrne et al., Science, 2009)。但因为这些年轻撞击坑都很小，向下挖掘深度只有几分米，所以这些信息并不能告诉我们这些水冰到底量有多大，垂直分布如何。
在北纬40-55°范围发现了五处地下水冰。底图是海盗2号通过对火星大气的测量估算的地下冰层的可能深度。(Byrne et al., Science, 2009 Fig. 1)
九年之后的今天，现已转职去了美国地质调查局（USGS）空间地质科学中心的Dundas，和Byrne等一众老队友一起，解决了这个问题。他们再次利用大自然的鬼斧神工，通过对火星中纬度的八处断崖地貌的详细研究，“窥见”了火星中纬区域的地下深处。他们发现火星中纬区域的地下不仅有水冰，而且是大量的纯净水冰，从地下1-2米一直延伸到地下100多米。这一成果发表于2018年1月12日的《科学》杂志：Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes。
火星中纬区域的大量水冰
Dundas团队发现，火星中纬区域一些可能是塌陷和滑坡导致的断崖，在经过了色彩加强处理的超高分辨率MRO HiRISE影像中很有点不一样：它们呈现出与周围环境不同的色彩（也就是下图右上的蓝色区域，不过要注意的是，这里是色彩加强处理过的结果，并不是真实的颜色），表明这些剖面中物质的成分不同。也就是说，这些断崖相当于是大自然赠与的天然剖面，可以让我们从中窥见火星地表以下的地层结构，而这些地层中暴露出来的成分不同的物质，可能就是水冰。
断崖形态示例，aa'、bb'、cc'和dd'对应于右下的四副高程剖面图，表明断崖位于塌陷和滑坡的高处（后缘）。右上是断崖部分在HiRISE的色彩加强影像中显示出的色调差异。(Dundas et al., Science, 2018 Fig S9, S10)
为了证实这一猜想，他们在火星中纬度区域苦苦搜寻，共在南北纬55°附近找到了八处有类似特征的断崖（scarp），全部都非常年轻。其中scarp 1-3三处在夏季中期时的CRISM光谱分析中显示出了明显的水冰吸收，表明这里含有纯度较高的水冰（杂质不超过1%），而不是渗透在土壤中的纯度不高的水冰。
八处研究区域分别是位于南半球的Scarp 1-7和位于北半球的Milankovič撞击坑。根据Dundas et al. (Science, 2018)的补充材料绘制。
通过对剖面形态、高程和浅层雷达数据的分析，可以推测这些区域地下地层的垂直构造：这些水冰的贮存量非常大，从地下1-2米一直延伸到地下100多米。
断崖之下可能的地层垂直结构简单示意图，当然实际每层的厚度不是固定不变的，而是处处不同。根据Dundas et al. (Science, 2018)的补充材料绘制。
也就是说，这是第一次在火星中纬地区发现了大量纯净的地下水冰。
此外，在Scarp 2区域还有意外的发现。通过对比此处时隔三个火星年（约6个地球年）的探测器影像，发现这里一些小石块的位置发生了变化。划重点：是位置发生了变化，而不是消失了（说明这些石块确实是石块而不是撞击溅射出来的水冰，因为后者会因为升华而消失）。这表明此处新暴露出来的水冰正在迅速升华消退（每个夏季消退几毫米量级），由此引起的地形变化使石块发生了移动。附近一些其他区域也发现了地貌上的微小变化，可能也是因为水冰消退引起的。
Dundas et al. (Science, 2018) Fig. 4
断崖暴露出的水冰本身也显示出了明显的紧密分层。作者由此推测，这些水冰可能是在火星自转轴倾角较大，也就是中纬区域温度较低的时候，由长年的降雪或者霜冻一层一层不断压紧和重结晶形成的。
这么多水冰，有用吗？
超有用。这里挑两点说。
一是可以帮助我们追溯火星历史上的气候变化。这些一层一层的冰层，就像我们地球上的地层一样，忠实记录着火星过去的气候和地质历史，例如颜色较深、较厚的冰层说明那一年火星大气中含有的尘埃较多……这些已经在对火星南北极冰盖的冰层研究中得到了应用。
深浅不一的火星北极层状沉积物。来源：NASA
二是可以作为将来登陆火星的宇航员和火星移民的补给来源。纯净的水冰可以在简单的处理之后成为人类的饮用水，更可以和二氧化碳（火星大气中的主要成分）进行反应，产生可供人类呼吸的氧气和可供作为火箭推进燃料的甲烷 (Voosen, 2018)。只不过……唯一的问题是……既想着陆器获得足够的太阳能供给，又想着陆器着陆在一个富含水冰（纬度不太低）的地方，实在是挺难两全的。
目前的火星着陆器，如果是对太阳能供电依赖度较高，那么选址基本会划定在南北纬30°之间，比如接下来的Mars2020。2018年5月即将发射的洞察号火星着陆器，更是把着陆范围缩小到了北纬3-5°之间。
所以南北纬55°，对火星载人着陆任务来说…还是…鞭长莫及啊，但可以沿用这个思路进一步去寻找位于更低纬度的断崖，或许有望能找到纬度更低的地下水冰储备也未可知吧。
关于作者：灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究
版权声明：本文首发于公众号「果壳科学人」（scientific_guokr）。果壳昨天忘记给我加白名单了，结果我发出去直接变成转载链接了orz……今天重发……对不起大家……
参考
The Obliquity of Mars | HiRISE https://hirise.lpl.arizona.edu/ESP_034132_1750
Leighton, R. B., & Murray, B. C. (1966). Behavior of carbon dioxide and other volatiles on Mars. Science, 153(3732), 136-144.
Mellon, M. T., & Jakosky, B. M. (1993). Geographic variations in the thermal and diffusive stability of ground ice on Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 98(E2), 3345-3364.
Mellon, M. T., Feldman, W. C., & Prettyman, T. H. (2004). The presence and stability of ground ice in the southern hemisphere of Mars. Icarus, 169(2), 324-340.
Boynton, W. V., Feldman, W. C., Squyres, S. W., Prettyman, T. H., Brückner, J., Evans, L. G., ... & Englert, P. A. J. (2002). Distribution of hydrogen in the near surface of Mars: Evidence for subsurface ice deposits. Science, 297(5578), 81-85.
Mellon, M. T., Arvidson, R. E., Sizemore, H. G., Searls, M. L., Blaney, D. L., Cull, S., ... & Markiewicz, W. J. (2009). Ground ice at the Phoenix landing site: Stability state and origin. Journal of Geophysical Research: Planets, 114 (E1).
Byrne, S., Dundas, C. M., Kennedy, M. R., Mellon, M. T., McEwen, A. S., Cull, S. C., ... & Cantor, B. A. (2009). Distribution of mid-latitude ground ice on Mars from new impact craters. Science, 325(5948), 1674-1676.
Voosen P. (2018). Cliffs of ice spied on Mars. Science, 359(6372), 145.
Dundas, C. M., et al. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science, 359(6372), 199–201.