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NASA的又一个"大新闻":火星之水

NASA上周神神秘秘地暗示自己在火星上有了大发现,会在美国东部时间9月28日上午11时30分召开新闻发布会公布这一发现——但是,熟悉NASA的人都知道,这种神秘兮兮的把戏最后抛出来的肯定不是你们想要的了!还记得上次NASA的“大新闻”吗?只不过是在已有的上千颗地外行星上加了几百颗,其中有一颗比以往更可能是石头做的而已。
这次也一样:当然是大发现,只是不是你们想要的那种大发现。想接受剧透的洗礼?往下看。
不过,眼见和NASA关系密切的电影《火星救援》即将在北美上映,这边厢NASA就卖起了火星的关子,有网友忍不住吐槽:你们是不是在火星上发现了马克·沃特尼(《火星救援》的主人公)?



半小时后,NASA的发布会就会开始了。他们要说的是什么呢?其实就是一篇新论文……

在刚刚发表在《自然·地球科学》上的一篇论文中,研究者称他们了现今火星上存在液态水的证据。是的,是现今的液态水,不是很久以前的水,也不是冰(后两者我们早知道了)。

可惜,这水不能直接喝:这是“卤水”,还不能用来卤蛋。

故事最早发生在2011年。当时亚利桑那大学的本科生卢金德拉·欧嘉(Lujendra Ojha)在研究NASA高分辨率影像实验(High Resolution Imaging Science Experiment,HiRISE)获取的影像时,发现了一些窄而且低反射率的条带。这些条带比周围要暗40%,像是小型的沟壑。这种沟壑一般宽在5米以下,长度各异,最长可以达到1.2千米。

灰色狭长部分显示的便是火星地表的小型沟壑。图片来源:NASA/JPL/University of Arizona

迷之沟壑

这种沟壑发育在比较陡峭的山坡上(坡度大于25°),有季节性的变化,一般在火星的春末开始发育或生长,在初冬之后变小或消失,往复如此。

欧嘉和同事把这种像沟壑一样的东西命名为“季节性斜坡纹线”(Recurring slope lineae,RSL)。RSL不仅呈现季节性变化,在一天之内也会有明显的变化,比如一天最大可以延长20米。

火星RSL的年际变化。A图所示是一个陨石撞击坑,周缘发育了一系列的RSL,黑色箭头指示了一些RSL的位置。A图中下方的方框为B~E各图所反映的位置。B图是28火星年(MY)夏末的RSL发育情况,C图是29火星年初春RSL衰退后的情况,C图是晚春时节RSL重新发育,D图是初夏RSL的情况。图片来源:参考文献[3]

随着越来越多的RSL被发现,它们的分布规律也越来越明显。早期仅在南半球32°至48°之间发现有RSL,随后在火星南北半球的低纬度地区也确认了12个RSL分布区,最北的一个位于北纬35°。可以明显看出,南半球的RSL更多。此外,RSL多发育在山坡的向阳面。

黄色点是RSL分布的区域,可以明显看出主要分布在南半球,而且在较暗的地区(反射率低)图片来源:参考文献[2]

火星上为什么会有RSL,它们又为什么会有这些变化呢?对这种现象有好几种解释,其中一种认为RSL可能类似于火星两极沙丘上二氧化碳季节性的解冻(Defrost)。在火星两极的沙丘下,存在着冰冻的二氧化碳。它们在夏季会解冻,冲出沙丘产生沙流,在沙丘上留下沟壑一样的东西。

但是,火星的中低纬度地区温度比较高,不存在封冻二氧化碳的条件。所以,这种现象还有另外一种解释:这可能是火星表面的液态水流所致。

由于火星表面的温度比地球低不少,通常被认为不适合液态水存在。但是,在RSL发育的地方,温度普遍高于250K(相当于-23.15℃),一般在273K以上。

如果有盐类溶解到水中(即卤水),水的凝固点可以被显著降低,最高可以降低80K。此外,盐类的存在还能显著降低水的蒸发率,并能吸收大气中的水分以维持自身。也就是说,RSL可能是火星地表的盐水溶液流动形成的。

但是,以上解释在此前都只是推测——直到这项最新的研究为火星表面卤水的假设提供了有力的证据。

新的研究结果表明,RSL(图中暗色细纹)的形成源于流淌在火星表面的卤水。NASA/JPL/University of Arizona

光谱证据

在这项新发表的研究中,研究人员利用集成火星普查光谱仪(Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars,CRISM)获取了RSL发育地区的影像。由于不同的物质对光的吸收和反射能力不同,通过定量分析不同波段光在某位置被吸收和被反射的程度,并与已知物质的光谱特征相比较,研究人员就能推测火星表面该位置上的物质的成分或组成了。

研究者提取了影像上RSL发育地区的光谱,把它与实验室测得的不同矿物或混合物的光谱作了比较。一般来说,如果矿物中存在有分子水(H2O)或OH团,就会在光谱曲线上特定的波段形成强烈的吸收波谷。而他们在RSL发育地区的测量结果中恰恰也有这样的特征吸收波谷存在。

RSL发育地区的光谱分析。a和b分别是所测量像元的位置;c图示测量结果,不同颜色分别对应于a和b图中不同颜色的框,黑线是拟合曲线。d图是实验室不同的含结晶水的矿物的测量结果。可以看出,在1.48μm、1.9μm和2.14μm处有明显的吸收波谷。图片来源:参考文献[1]

综合多个对比研究结果,由于火星上不同RSL发育地区的光谱特征和高氯酸镁、氯酸镁、氯化镁以及高氯酸钠的光谱相符合,研究者认为在RSL发育地区含有这些易溶于水的矿物。以往的探测发现火星表面普遍存在这类可溶性的盐类,RSL区域的矿物很可能是这些盐溶于水后再沉淀富集而成的。

简而言之,上述结果提供了现今火星上存在液态水的有力证据,而且这种水是卤水。

那么问题来了:

水从哪里来?

目前为止,这个问题尚没有确切的答案。RSL主要分布在中低纬度地区,发生在温度较高的季节,多在向阳的山坡上,而且那些地方表面比较暗(对太阳光的反射较弱)。

一种假说认为RSL的水可能来源于冰。但是,中低纬度、夏季、向阳,这种地方的冰会很快会发或流失,不大可能为RSL提供所需的水。

形成RSL所需的水从哪里来?目前还没有确切的答案。图片来源:NASA/JPL/University of Arizona

另外一种观点认为,水来自于空气——当然不是直接来自空气,而是通过一些矿物的潮解(deliquescence)把空气中的水固定下来。一些矿物容易能够自发吸收空气中的水,如常用作干燥剂的氯化钙,研究人员在RSL中发现的氯酸镁等矿物也具有吸水性。当温度较高时候,这些矿物吸附的水就会释放出来,成为液态流水,形成RSL。但问题是,火星大气中的水能够支撑形成如此多的RSL吗?不一定。

南美洲阿塔卡玛沙漠在智利安托法加斯塔一带的地质条件,一直被认为近似于火星地表,那里极端干燥,能有微生物活跃的唯一环境便是存在潮解盐类的地区。那么,如果RSL的形成确实和高氯酸盐的潮解有关,那么它们的存在可能就为生命在近地表提供了一个潮湿的环境——这些地区,将是未来火星生命探索的一个方向。

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Ojha. Lujendra, et al. McEwen, Alfred S., et al.  Recurring slope lineae in equatorial regions of Mars.  Nature Geoscience  (2015)
  2. McEwen, Alfred S., et al. Recurring slope lineae in equatorial regions of Mars.  Nature Geoscience 7.1 (2014): 53-58.
  3. McEwen, Alfred S., et al. Seasonal flows on warm Martian slopes.  Science333.6043 (2011): 740-743.
  4. Matthew Chojnacki, What’s Seeping on Mars? Recurring Slope Lineae. Planetary.org

文章题图:NASA/JPL/University of Arizona

The End

发布于2015-09-28, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Olivine

地质学硕士生

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