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本文來(lái)自中國(guó)科普博覽大家庭 說(shuō)起地球的南極和北極，大家的腦海中立刻就會(huì)浮現(xiàn)冰天雪地、白雪皚皚的畫(huà)面。那么，地球的鄰居——火星，也就是鋼鐵俠馬斯克口中說(shuō)要移民的星球，它的南北極又是怎樣的呢？會(huì)不會(huì)也是冰天雪地的壯麗模樣? 地球南北極（圖片來(lái)源：NASA） Part.1 初見(jiàn)火星兩極 17世紀(jì)末，荷蘭天文學(xué)家惠更斯利用自己設(shè)計(jì)的精密望遠(yuǎn)鏡，首次發(fā)現(xiàn)火星南北極都擁有一個(gè)巨大的“白斑”，像是戴著白色的帽子。雖然這位天文大家當(dāng)時(shí)到底看到的是什么樣的景象，我們不得而知，但后來(lái)人類(lèi)通過(guò)努力，拍到了紅色星球戴著白色帽子的“證件照”。 地球和火星都戴著白色帽子（圖片來(lái)源：NASA） 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，地球和火星都戴著白色帽子。帽子，在古代也稱為“冠”。我們中國(guó)人給火星兩極的“帽子”起了個(gè)文雅的名字——“極冠”，西方英文則是“Martian polar ice cap”。 Part.2 近觀火星極冠 我們可以看到，火星南北兩極被厚厚的白色物質(zhì)所覆蓋，白色物質(zhì)與紅棕色地區(qū)有鮮明的對(duì)比，還可以觀測(cè)到強(qiáng)風(fēng)和暴風(fēng)雨的痕跡。這樣的場(chǎng)景，讓我們不禁聯(lián)想到地球南北兩極的冰天雪地。有時(shí)候，火星上還會(huì)有白云出現(xiàn)，遮掩火星表面的地質(zhì)特征，使人類(lèi)火星軌道探測(cè)器無(wú)法拍攝清楚。 火星兩極極冠（圖片來(lái)源：NASA） 2006年火星北極極冠照片（圖片來(lái)源：ESA） Part.3 神秘的白色物質(zhì) 看起來(lái)像帽子又像拿鐵上拉花的白色物質(zhì)到底是什么？先人們尋找答案的腳步從未停歇。18世紀(jì)末，英國(guó)科學(xué)家斯托尼就曾設(shè)想白色物質(zhì)是固體二氧化碳，即我們俗稱的“干冰”。到了20世紀(jì)中葉，天文學(xué)家柯伊伯使用分光技術(shù)觀測(cè)，推測(cè)白色物質(zhì)是水冰而不是干冰。受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)所限，斯托尼和柯伊伯也只能停留在猜測(cè)的階段。 直到人造探測(cè)器對(duì)火星進(jìn)行了多次探測(cè)，人類(lèi)才正式確認(rèn)極冠中含有85%的二氧化碳干冰和15%左右的水冰。這是對(duì)火星認(rèn)識(shí)的巨大進(jìn)步，也是對(duì)先人科學(xué)假想的證據(jù)回應(yīng)。 極冠含有水冰和二氧化碳干冰（圖片來(lái)源：Science） Part.4 隨季節(jié)變化的火星極冠 火星探測(cè)器傳回的照片顯示，火星表面大部分地區(qū)都是砂石林立、塵土飛揚(yáng)的干燥荒蕪世界，那么兩極極冠是如何形成的呢？ 依照地球上的生活經(jīng)驗(yàn)，看到白雪皚皚、冰天雪地的冰凍世界第一感受當(dāng)然是“冷”了。作為地球“姊妹星”的火星，也像地球一樣，有冬夏輪回。火星與太陽(yáng)的距離比地球遠(yuǎn)，表面平均溫度比地球低，平均溫度約-60℃，兩極的溫度甚至更低，這使得火星兩極主要由水冰和干冰組成的物質(zhì)永久存在。 火星極冠會(huì)不會(huì)隨季節(jié)而變化？早在20多年前，人類(lèi)就已經(jīng)利用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到火星極冠的變化了。地球上有一年四季的變化，火星也一樣，北極極冠在每年火星的夏天會(huì)蒸發(fā)掉約1米的干冰層，而火星南極的干冰層厚度約8米，在整個(gè)夏季來(lái)不及全部蒸發(fā)。這就導(dǎo)致火星極冠每年都會(huì)發(fā)生變化，與地球南北極冰雪變化類(lèi)似，夏天溫度高的時(shí)候，冰雪融化，極冠范圍就會(huì)縮小，而一到冬季，由于氣溫下降，大氣中的二氧化碳開(kāi)始凝華，極冠范圍隨之變大。水和二氧化碳憑借升華與凝結(jié)往返于極冠與大氣之間，構(gòu)成了現(xiàn)今火星氣候重要的一環(huán)。 Part.5 極冠不僅蘊(yùn)含液態(tài)水湖，還有隕石坑冰湖 不論水冰或是干冰，難道極冠就只有固態(tài)“冰”嗎？早在2018年，意大利科學(xué)家?jiàn)W羅塞（R.Orosei）團(tuán)隊(duì)就利用“火星快車(chē)號(hào)”（Mars Express）軌道器上的雷達(dá)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)火星南極極冠下面1.5千米處存在20千米寬的液態(tài)水體。而就在2020年9月28日，借助該軌道器上新的雷達(dá)數(shù)據(jù)，意大利行星科學(xué)家勞洛（S.E. Lauro）團(tuán)隊(duì)最新發(fā)現(xiàn)南極烏爾蒂馬斷崖群（Ultimi Scopuli）下面有3個(gè)液態(tài)水體，其中最大的水體長(zhǎng)約20千米×30千米。這是人類(lèi)火星探索之旅的重大發(fā)現(xiàn)——原來(lái)火星上不是肉眼看到的干燥荒蕪！ 除了地下層蘊(yùn)含液態(tài)水體外，在火星北極地區(qū)大奧林匹亞·昂達(dá)沙丘場(chǎng)的南部，有個(gè)保持完好的隕石坑——科羅列夫（Korolev）隕石坑。該隕石坑底部位于其邊緣下方兩公里處，包圍著一個(gè)約1.8千米厚的圓頂狀沉積物，是水冰和干冰的合物。冰上的空氣在冷卻后比周?chē)目諝庵?，因此科羅列夫隕石坑內(nèi)的“冰”永久穩(wěn)定存在。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，因此水冰層可以有效地避免被加熱和升華。 隕石坑冰湖（利用數(shù)字地形模型和“火星快車(chē)號(hào)”探測(cè)數(shù)據(jù)合成制作）（圖片來(lái)源:ESA） 地球上，水是生命之源，是人類(lèi)生存的寶藏。 火星上，水冰資源的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑令人欣喜。 人類(lèi)正派出火星探測(cè)器奔向太空、開(kāi)往火星，期待這些“先鋒們”挖掘出更多“寶藏”，獲取更多發(fā)現(xiàn)！ 參考文獻(xiàn)： [1]《火星科學(xué)概論》（2015） [2]R.Orosei et al., Radar evidence of subglacial liquid water on Mars, Science (2018). [3]Lauro,S.E., Pettinelli,E., Caprarelli, G.et al. Multiple subglacial water bodies below the south pole of Mars unveiled by new MARSIS data. Nature Astronomy (2020). [4] Mars' Korolev Crater: A massive reservoir of water ice (astronomy.com/news, Dec 21, 2018) 作者單位：中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)總體部 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 文章來(lái)源：科學(xué)大院 |
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