火星沙丘藏液態水“拼圖”

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現代火星上有液態水嗎？科學家通過祝融號火星車拍攝的照片發現，答案是肯定的。

中國科學院地質與地球物理研究所研究員（以下簡稱地質地球所）秦小光與合作者分析認為，火星沙丘上的結殼、龜裂等各種“水痕”就是確鑿的證據，而且這些痕跡來自于降霜或降雪，而非地下水。相關研究近日發表于《科學進展》。

“我們的發現填補了在火星低緯度地區液態水地面觀測證據的空白，說明現代火星氣候可以出現更潮濕的環境。”論文通訊作者秦小光對《中國科學報》說。

沙丘“水痕”

秦小光仍記得，剛拿到第一批祝融號火星車數據時的興奮感。祝融號著陸區地貌最顯著的是沙丘，他與中國科學院國家天文臺研究員任鑫查看火星車車載相機傳回的照片時驚奇地看到沙丘表面的奇特現象——龜裂和帶狀痕跡。

這些都是正常沙丘表面不應該出現的形態特征。長期的地貌研究經驗讓秦小光推斷：這極可能是水留下的痕跡。

“它們看上去就像地球上一個池塘干涸時留下的岸線痕跡。”秦小光向《中國科學報》回憶。

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祝融號拍攝的火星沙丘上的水痕。圖片來自：地質地球所

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祝融號拍攝的火星上的水裂紋。 圖片來自：地質地球所

尋找與“水”相關的線索一直是科學家研究行星歷史和生命宜居性的一個關注焦點。科學家已經發現，早期火星曾存在大量液態水，但伴隨火星早期大氣逸散，氣候環境發生極大轉變，極低的氣壓和水汽含量導致今天火星上的水很難以液態形式穩定存在，而主要以固態或氣態的形式存在。

盡管如此，科學家已經發現現代火星液態水的“蛛絲馬跡”。例如，在火星高緯度著陸的美國鳳凰號探測器的機械臂上就曾觀測到“液滴”，科學家認為這說明當前火星高緯度地區夏季可以短暫出現含鹽液態水。數值模擬也顯示適合液態水存在的氣候條件可以短暫出現在當今火星某些地方。

那么，氣溫最高的火星低緯度地區是否存在液態水呢？著陸點距火星“赤道”更近的祝融號為回答這個問題提供了契機。

2021年5月，天問一號火星任務搭載的祝融號漫游車成功著陸在烏托邦平原南部邊緣（北緯25.066度，動經109.925度）。祝融號工作了350多個火星日，行程約2千米，獲得了大量寶貴的科學探測數據。

為分析火星探測任務傳回的數據，時任地質地球所所長吳福元院士和首次火星探測任務首席科學家潘永信院士第一時間整合全所各個專業方向的人馬，成立火星探測攻關團隊，分組對此次任務傳回的數據進行挖掘。

研究地貌和環境變化的秦小光被分派負責組織人員開展火星地貌環境方面的研究，他與該所研究員王旭、吳海斌和博士張師豪，聯合中科院國家天文臺研究員劉建軍、任鑫以及中科院大氣物理所博士孫詠等20多人開始分析祝融號傳回的火星地貌信息。

他們利用祝融號上搭載的導航地形相機、多光譜相機以及天問一號遙感圖像，對四個火星沙丘進行了詳細觀測，首次發現祝融號著陸區的沙丘表面存在結殼、龜裂、團粒化、多邊形脊、帶狀痕跡等表面特征。

進一步研究中，他們發現，根據沙丘形態特征和表面顏色深淺，著陸區沙丘有“亮沙”，也有“暗沙”。亮沙表層基本都有結殼、龜裂等與水相關的特征；而暗沙則多存在團粒化結構，團粒比風沙顆粒大得多，用激光將其打碎后，他們發現這些團粒是由沙粒凝結在一起構成的。

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祝融號拍攝的火星上的亮沙與暗沙。 圖片來自：地質地球所

這是如何形成的呢？在火星表面，候選膠結物質有很多，如干冰、水冰、粘土、鹽類和其他無機膠結物。根據二氧化碳和水的性質以及祝融號著陸點的大氣條件，研究者排除了干冰和水冰作為沙粒膠結物的可能性。而短波紅外被動光譜數據顯示，沙粒膠結物最可能是含水硫酸鹽、蛋白石（含水二氧化硅）、含水氧化鐵等成分。

以鹽為代表的這些含水礦物作為凝結劑膠結沙粒形成沙粒團，需要水的參與。那么，水從哪里來呢？

推測再推測

據介紹，在火星上，水主要有三個潛在來源：地下水；降霜與降雪；降雨。

根據觀測到的現象，研究團隊對這些來源一一排查。

“假如是地下水通過毛細水蒸發到達火表，水蒸發后，水里的鹽就會在地表留下來，形成鹽堿。”秦小光說，但研究團隊并未在沙丘附近的低地看到這種現象，相反結殼卻出現在位置較高的沙丘表面，顯然地下水的毛細水蒸發不太可能形成沙丘表面的結殼，他們由此排除了地下水的可能性。

而水究竟是通過降霜抑或降雨、降雪的形式到達火表，取決于火星大氣的溫度和水氣壓。根據火星氣象條件觀測，現代火星的大氣壓和水汽分壓極低，基本上不可能下雨。而氣溫降至零下74攝氏度的霜點后，火星大氣中的水汽就會形成降霜或降雪，而降霜和降雪都已在火星上觀察到。他們就此推測，著陸區沙丘的表面特征與降溫時在含鹽沙丘表面的降霜或降雪有關。

根據祝融號攜帶溫度計的不完全觀測結合其他國外火星車的觀測，著陸點附近最高溫度為零下8攝氏度，更低時則可到近零下100攝氏度。“如果火星上有液態水，根據地球上的情況，零度就該結冰了。但這個地方儀器卻沒打出冰的成分，這到底是怎么回事兒？”秦小光和團隊反復推敲。

根據多年在羅布泊的考察，秦小光認為，當地的鹽池也是冬天不結冰，因為高濃度鹵水的“共晶溫度”（相較于純水冰點）更低，而具體的冰點則跟含鹽類型和含鹽量有關。而沙丘表面富含含水硫酸鹽等鹽類，氣溫升高時可在較低溫度下導致霜雪直接從固態變為液態。

基于此，研究者還給出了沙丘表面特征的演化模型：降溫到霜點后形成降霜或降雪，升溫時與含鹽物質混合的霜雪在較低溫度下融化為含鹽液態水，隨著溫度繼續升高（每天或季節變化）鹽水干燥失水后硫酸鹽、蛋白石和鐵氧化物等含水礦物膠結沙粒形成風沙團粒、乃至結殼，結殼進一步干燥形成龜裂。后期的再次降霜降雪在結殼上又進一步形成多邊形脊和帶狀水痕等液態水活動痕跡。

“這是基于祝融號火星車多源觀測數據的一個邏輯十分嚴謹的假設，為進一步解釋和驗證該假設提供了指導。”該刊國際審稿人、美國布朗大學的James W. Head認為，這種轉換發生的溫度條件在季節和日時間尺度上都可以滿足。

研究者認為，這與火星大傾角活動也是一致的。根據沙丘上隕石坑的統計，他們確定沙丘形成于距今大約40萬~140萬年前以后。這個時間以來出現過多次火星地軸大傾角時期，火星的軌道傾角（軌道平面與火星赤道面的夾角）與現代類似甚至更大，這時水汽會從極地冰蓋向赤道方向的擴散傳輸，致使火星低緯度地區出現的多次濕潤環境，有助于降霜降雪，導致含鹽沙丘表面結殼和團粒化，造成沙丘固化并留下液態水活動痕跡的形成模式。

該刊另一位國際審稿人認為，這項研究描述了至多數百萬年前火星濕潤條件的證據。這些觀測結果非常有趣，它們記錄的火星低緯地區的特征可能代表了最近更濕潤條件的證據。

“該研究說明大傾角時期，與現代類似或更潮濕的氣候和氣象條件曾在火星上出現，允許現代火星低緯度地區多次出現含鹽液態水。而小傾角的時候，水汽又從低緯度地區向高緯度地區擴散，然后又回到冰蓋那邊去了。”秦小光說，這個過程跟火星大氣的環流乃至水循環都有關系，對理解火星氣候演化歷史、尋找宜居環境有重要意義。

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祝融號著陸點所位于的火星低緯地區。地質地球所供圖

更多未知待推敲

這個研究結果來得并不容易。這是我國首次探測火星，沒有前路可循，為了判別照片中每個地貌痕跡，研究團隊需要仔細查看每一張圖片，用地球上學到的“十八般武藝”反復推敲火星上的每一個線索形成判斷，然后反復確認每一個結論是否站得住腳。

例如，火星上的沙丘為什么有明暗之分？他們發現暗沙丘是覆蓋在亮沙丘上形成的。這說明原來的亮沙丘無法活動了。那么，亮沙丘為什么會“死亡”？他們分析這正是亮沙丘表層的液態鹽水干燥結殼后導致沙粒無法移動。當風沙再來的時候，亮沙丘被覆蓋，形成的暗沙丘，新的暗沙層在又一次含鹽液態水作用下形成團粒化結構。

秦小光介紹，火星亮沙丘的迎風坡和背風坡坡度很小，一般只有幾度到十幾度，遠低于三十幾度的常規風沙休止角。而它們的形狀都是地球上常見的“新月形”，而非火星上常見的線狀橫向風成脊。這些都說明它們曾被改造過。

我國深空探測方興未艾，從一個現象推導出一個結論，解開更多深空謎題，還有更多科學家走在探索之路上。

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祝融號拍攝的火星照片。圖片來自：地質地球所

相關論文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8868