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火星的两极也是冰雪世界吗?
来源:国家国防科工局    发布日期:2021年03月26日    点击率:817次

  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!

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