火星地下发现巨大水冰储存区:水量超地球上最大淡水湖

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2016-11-28 11:57

研究人员利用美国宇航局“火星勘测轨道器”(MRO)的观测数据近日得到结论,认为在火星上一处遍布裂隙和撞击坑的平原地下存在大量水冰,其含水量甚至可能与北美五大湖中最大的苏必利尔湖的水量相当,苏必利尔湖同时也是世界上面积最大的淡水湖。这就是火星北半球中高纬度地区的乌托邦平原(Utopia Planitia),科学家们利用MRO飞船搭载的“浅地表雷达”(SHARAD)对该平原部分区域进行了研究,该设备能够穿透地表,看到浅层地下情况。

火星地下发现巨大水冰储存区:水量超地球上最大淡水湖

该图像经过垂向比例拉长,展示火星乌托邦平原地区一些造型奇特的撞击坑结构。近期利用火星勘测轨道器的研究表明该区域地下存在大量水冰,其水量超过地球上最大的淡水湖:苏必利尔湖

火星地下发现巨大水冰储存区:水量超地球上最大淡水湖

这两张图像是由SHARAD设备拍摄的,显示在乌托邦平原地下存在水冰信号

火星地下发现巨大水冰储存区:水量超地球上最大淡水湖

浅地表雷达”(SHARAD)对该平原部分区域进行了研究,该设备能够穿透地表,看到浅层地下情况。通过对该区域超过600次的飞越过程中采集的资料,科学家们的分析结果显示这里的地下存在一个巨大的水冰储存区


通过对该区域超过600次的飞越过程中采集的资料,科学家们的分析结果显示这里的地下存在一个巨大的水冰储存区,其面积甚至比整个新墨西哥州还要大。该区域的冰层厚度在80米至170米之间,其成分大约是80%~85%的水冰,再加上其他一些尘埃物质和较大的岩石颗粒物。

在该水冰储存区域所在的纬度(北半球中高纬度),水冰是无法稳定存在于火星表面的。在火星今天如此稀薄的大气环境下,暴露于地表的水冰很快就会升华为水汽并消散殆尽。而乌托邦平原地下的水冰则被上覆的土层保护了起来,该土层厚度达到1~10米。

德克萨斯大学奥斯汀分校地球物理学院的卡西·斯图尔曼(Cassie Stuurman)是发表在《地球物理学研究通报》杂志上有关研究论文的第一作者。她说:“该水冰储库可能是在地质历史上某个时期形成的,当时火星的黄赤交角比现在更大,当大量降雪逐渐累积时,逐渐挤压成为水冰,并混入了大量沙尘物质。”

今天的火星黄赤交角大约25度,在其两极地区储存了大量的水冰物质。在大约12万年的周期内,这一角度的变化量将达到两倍之多,导致两极地区升温,冰雪物质将向中纬度迁移。火星气候模型和此前在中纬度地区大量水冰物质的发现表明在黄赤交角变化的某些时期,大量冰雪物质会在远离火星极地的区域累积。

火星水,未来人类的资源

“乌托邦平原”这个词简单的意思就是“天堂平原”。此次新发现的地下水冰储库在纬度分布上从北纬39度一直到49度。其蕴藏的水量相当于火星上全部已知水量的不到1%,但它的发现直接让火星北方平原地区埋藏水体的体积量增加了一倍。而那些接近浅地表的埋藏水冰早已被人们视作未来登陆火星的人类宇航员的重要资源。

德克萨斯大学的杰克·霍特(Jack Holt)是SHARAD设备组成员之一,此前曾经使用该设备对火星埋藏水冰和极区冰盖开展过研究,此次也是相关研究论文的合著者。他说:“此次发现的这些水冰可能相比火星上的其他水冰更加容易获取,因为它们相对而言位于较低的纬度,并且所在区域地形相对平坦,相比其他埋藏水冰的区域,这里更适合未来探测器在此着陆。”

今天,乌托邦平原地区的水体已经完全处于冻结状态。但如果其中存在融化状态的水层,这对于生命而言将是意义非凡的。当然,这样的水层如果存在,在雷达图像上也应当有所反应,但实际情况是并未观察到。但是这也并不能完全排除在火星自转轴倾角变化的某个时期,可能会出现某些水冰融化的层面。霍特表示:“在水冰长期存在的区域,我们目前还不清楚在历史上的某些时期是否曾经存在过足够的水体,从而允许生命的出现。”

乌托邦平原本身是一个直径大约3300公里的巨大盆地,其成因可能与火星早期的撞击事件有关。在1976年,美国宇航局派遣“海盗-2”号着陆器首次着陆该区域,而此次斯图尔曼和同事们开展研究的区域就在那台早已停止工作的着陆器着陆区域西南方向不远处。

利用意大利研制的SHARAD雷达设备对火星乌托邦平原开展研究,这一设想是加拿大安大略西部大学的戈登·奥新斯基(Gordon Osinski)一直以来努力推动的,同时它此次也是该项研究论文的合著者之一。多年来,奥新斯基和其他研究者们一直对该区域遍布的多边形开裂以及缺乏环形山边缘的撞击坑感到好奇。正如斯图尔曼的指出的那样“就像某人把一个冰激凌丢在了地上。”当开始这项研究时,斯图尔曼还是加拿大西部大学的一名学生。

来自加拿大的线索

在加拿大北极冰原地区,地表同样存在很多线索表明其地下存在水冰物质。正如奥新斯基所指出的那样。但是有一个问题摆在大家的面前:或许这些规则性开裂和撞击坑外观的确与其地下隐藏的冰层有关,但是这些水冰埋藏现在还存在吗?抑或早就已经在数百万年的漫长历史中消失了?

而此次SHARAD设备的观测结果则帮助回答了这个问题,并推进了我们对于火星历史的理解并锁定了未来可能存在生命的考察区域。

美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的“火星勘测轨道器”(MRO)执行项目科学家莱斯利·坦帕里(Leslie Tamppari)表示:“拓展我们对于火星上水体分布与数量的认识是非常重要的。”他说:“我们知道早期火星表面存在足够水体,使得河流和湖泊能够存在。但后来这些水体都去了哪里?它们中的大部分都已经经由大气层散失掉了,其他探测器目前正在对这一过程进行考察。但与此同时还有很大一部分的水体至今仍然以地下水冰的形式留在火星上,而我们需要对此有更深的了解。”

德克萨斯大学的乔·列维(Joe Levy)也是这项最新研究的论文合著者。他说:“乌托邦平原此次发现的水冰储库并不仅仅是能够满足未来探测所需,它也是最方便获取到的火星古代气候记录之一。目前我们还并未完全理解为何水冰会在火星上的某些区域,而不是在另外一些区域累积。这些水冰对于未来登陆火星的宇航员们来说意义重大,对它们开展的取样研究同时也将帮助我们揭开这些水冰的埋藏年代之谜。”

SHARAD是MRO飞船携带的六台科学载荷之一,MRO飞船本月刚刚迎来其在火星轨道工作的第十个年头。该任务的长期和持续性使其能够帮助科学家们观察火星上的一些长期过程以及多年变化,从浅地表一直到大气层。SHARAD设备是由意大利空间局研制的,该设备的日常科学运行由意大利罗马大学负责管理。总部位于美国亚利桑那州图森的行星科学研究所参与了该设备的部分研制工作。加州理工学院下属的喷气推进实验室(JPL)为美国宇航局科学任务委员会代为管理MRO飞船,而位于丹佛的洛克希德·马丁空间系统公司则是MRO飞船的建造承包商并对该飞船的在轨运行提供长期技术支持。