如何评价火星上发现第一个液态水湖？发现生命的可能性是不是更大了？

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作者：一点资讯
本题已加入知乎圆桌 太空漫游 ，更多「天文学」「航天」讨论欢迎关注。 本问题已收录至新闻专题 >> 火星上发现湖水，期待生命的涟漪 更多火星探索相关内容欢迎关注讨论。Science 原文链接和摘要： Radar evidence of subglacial liquid water on Mars The presence of liquid water at the base of the martian polar caps has long been suspected but not observed. We surveyed the Planum Australe region using the MARSI…
作者：一点资讯 ,无意在网上看到这篇文章，深有同感。所以分享。

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谢邀，简单说一些要点，详细的深度分析版在这里：这一次，我们在火星找到了冰下湖？


1、这个发现在哪里？

在火星的南极，更确切地说是南极层状沉积层下面。火星的南北极冰盖都是由这样的层状沉积层组成的，其中大部分是混杂着尘埃的水冰，少部分是干冰。因为不同冰层中混合的尘埃百分比不同，所以不同时期形成的冰层颜色就会有差异，层层累积起来就会看到不同颜色的冰层像地层一样堆积起来。
黑框是这次的研究区域，表面地形其实是比较平坦的。来源：Orosei et al. (2018)


2、怎么发现的？

雷达可以探测浅表层结构，主要原理就是不同物质的介电常数不同，因此收到反射波的时间和强度就会不同，那么通过这些可以反推这些雷达信号穿过了哪些不同的物质。这次主要通过火星快车号的MARSIS雷达数据发现的。
PS：雷达也好、地震也好、重力也好，这类地球物理数据的反演不可避免的问题就是多解性，也就是【可以达到这样的结果的原因不唯一】，通过增加限制条件可以减少多解性，但还是不可能完全避免的。
雷达探测浅表层结构原理。来源：Diez. (2018)
通过对一些地球物理参数的简化和假设（比如地表以下的温度变化结构等）之后，已知的雷达观测量可以求解地下某个异常区域的介电常数和深度，这个【异常】在雷达图像中的表现就是一条亮线（注意亮线的地方对应的dB值比较高）。
修改自：Orosei et al. (2018)
这个异常层的深度大约在地表以下1.5公里处。多轨数据可以圈定这个异常区域的范围，下图右图箭头处，宽度大约在20公里。
来源：Orosei et al. (2018)


3、发现了什么？

最直接的观测结果，是同时计算出了这个异常区域（也就是亮反射区）的介电常数。统计结果显示亮反射区之内的介电常数中位数>15，而亮反射区之外的区域中位数只有7左右。
也就是说这个异常区域：1）介电常数明显高于周围区域（也就是物质成分不同），2）介电常数特别高（中位数>15）。
来源：Orosei et al. (2018)


4、这个异常区域是什么？

是液态水湖吗？不一定。
以我们对地球的雷达观测经验来说，要达到这么大的介电常数，这在地球上基本只有液态这一种可能性，但这在火星上也不绝对，毕竟地下的各种地球物理参数都是估计的，有很大的不确定性。
而且即使是液态的，也未必就是液态水湖这样的形式，文章本身给出的推论说的是液态湖或者富含水饱和沉积物层都有可能。


5、如果是液态水湖？

这个区域的温度低达零下68摄氏度，为什么还可以保持液态水的形式？作者给出的解释是含盐的液态水，于是高压含盐的水溶点变低，得以保持液态。这在目前轨道器和着陆器火星车的探测结果是吻合的，火星全球应当都遍布高氯酸盐（和其他一些物质），水里有也很正常。
总之，是液态水湖的可能性是有的，但这也是基于间接观测结果的其中一个推论而已。
如果真的是，那可能会和南极的沃斯托克冰下湖类似。
图片来自水印
6、为什么之前雷达观测没有发现？

MRO的SHARD雷达也观测过这一区域，还真的就没有发现。
上图是MARSIS，下图是SHARD。来源：Orosei et al. (2018)
这次的文章给出的解释是，SHARD是高频，意味着分辨率高但探测深度浅，MARSIS是低频，分辨率低但探测深度深，所以SHARD没有看到雷达图中的亮线而MARSIS看到了是说的通的（只是说说的通）。


7、火星曾经有过水么？火星缺水么？

目前的观测数据总体来说是支持火星曾经有过非常富含水（甚至汪洋大海）的时期，只是表面的液态水后来随着火星磁场的衰减而散逸了，但依然有大量水冰保存在地表之下。如今的火星，从生命存在的角度来说或许是缺（液态）水的，但从人类建立火星基地的角度来说，其实并不缺水，而且纯净的水冰说不定比高浓度卤水更易于加工和利用。
前沿速报||火星中纬区域首次发现大量地下纯净水冰——未来的火星移民：凿冰饮水，指日可待？

8、发现生命的可能性是不是更大了？

从一定意义上来说，只要是和液态水有关的发现，都可以认为更加有利于目前火星上生命的存在和繁衍，毕竟再恶劣的环境，也是可能有微生物存续下来的。
但悖论是：一方面眼见为实，找到生命才能算是真的有；另一方面是，只要人类加入探索和挖掘，又如何能保证不带去任何来自地球的微生物的污染呢？
即使真的挖到了，算火星的还是算地球的？


当然，也不是说不挖了，就是说要小心再小心…


有个个人公众号“永结无情游相期邈云汉”（haibaraemily_planets）顺便了解一下？方便手机版阅读最新的行星科学前沿~




参考：
[1] Orosei et al. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars.Science.
[2] Mellon, M. T., Feldman, W. C., & Prettyman, T. H. (2004). The presence and stability of ground ice in the southern hemisphere of Mars. Icarus, 169(2), 324-340.
[3] Clifford, Stephen M. "Polar basal melting on Mars." Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92.B9 (1987): 9135-9152.
[4] Diez. (2018). Liquid water on Mars. Science.
[5] Bibring, J. P., Langevin, Y., Gendrin, A., Gondet, B., Poulet, F., Berthé, M., ... & Drossart, P. (2005). Mars surface diversity as revealed by the OMEGA/Mars Express observations. Science, 307(5715), 1576-1581.
[6] https://www.sciencenews.org/article/mars-may-have-lake-liquid-water-search-life

HgauPlkY

凌晨一点，本已就寝，被火警唤醒，全楼疏散。
夜空中，火星闪耀。恰此时瞥见这样一则大新闻，赶紧写几句。
南极冰盖 Credit:NASA
0、火星上疑似发现了一个液态水湖。是欧空局火星快车（Mars Express）轨道器用MARSIS测地雷达看到的（Orosei 2018）。
1、另一个环绕火星的主力轨道器，火星勘测轨道飞行器（MRO），表示啥也没看到（Grossmann）。不过因为雷达使用的波段不同，尚不能直接比较。
2、不晚于1987年就有人提出了火星两极冰盖下存在液态水的可能性（Clifford 1987）。他认为产生液态水的主要机制是两极冰盖通过大气沉积达到几千米后，自重产生的压强太大，把底部“压化了”。
3、因为火星轨道不圆，北半球比南半球整体来说更冷，极冠冰层也更厚、底部压强更大，所以 Clifford 1987 认为北极极冠下更容易产生冰下湖。
4、但这次发现冰下湖的地方是在南极冠。冰厚1.5千米。
5、MRO的科学家猜测，MRO没看到同一个湖的原因是他们雷达的波段下，穿透冰层能力比较差，没法看到那么深的湖。
6、我猜，这也许也是为什么先在南极找到这个湖的原因——冰薄、容易找。如果是这样的话，那也许北极还有更大的？
7、雷达数据计算和判读是个技术活。从论文的口吻看，他们还不敢说这就是铁证。但他们已经尽力排除其他可能性了，最后只剩这个解释能站得住。
8、最直接的证据大概还得将来派船过去直接开洞取样。但在行星保护规则的约束下，这样的任务会被非常谨慎的规划，以免地球微生物侵入火星原生环境。（参见我早前专栏文章《去火星？别急着降落》）
9、实际上完完全全杜绝地球微生物污染是不可能做到的，能做的只是尽量搞清扩散的过程、评估污染的危险，最后决定是否值得冒这个险。
10、为什么说是冒险？因为在地球上我们差点就搞砸一次了。在南极有个冰下大湖叫 Vostok，1999年的时候俄法美几国科学家去那打洞，但使用的润滑剂包含煤油和氟利昂，会污染水体，于是冰层在还有150米就要打穿的时候，他们被叫停了。又过了好几年俄国人才琢磨出更好的方案，终于把冰凿穿了（Life under ice）。
11、俄国人拿到了南极冰下湖的水样，里面果然包含表示存在细菌的遗传物质。这可能是3500万年前这个小湖和外面的海洋连为一体的时候留下来的。
12、而火星表面遗留的很多地理特征，都表明火星也曾经有过稳定存在的江河湖海（Parker 2013）。如果那时的火星有过生命，活要见菌死要见尸，我们期待能在冰下湖中有所斩获——这同时会让我们加倍谨慎。
13、在太阳系的众多星球上，我们都已经发现或者高度怀疑存在冰下水体。从喷出咸水的土卫二、布满冰隙的木卫二，乃至太阳系边疆的冥王星，等等。火星姗姗来迟，但它可能是我们最早进行实地取样的几个星球之一。


让我们努力活到能一起见证这一切的那一天。


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jansie1314

当我们想象外星生命可能潜藏于哪些地方时，首先想到的应该就是火星了。几百年来，地球人仰望火星，以為那里也有人居住。过去 50 多年来，多个火星任务试图探明火星生命的演化可能性。然而，火星上真的有生命吗？
可居环境

在搜寻生命方面，许多天体生物学家认为水是关键。地球上所有形式的生命都离不开水。虽然生命的演化有可能不需要水，但在有水的地方寻找生命总比在没有水的地方容易。
这就必然带来火星水这个问题。今天的火星表面干燥而荒芜，大部分火星水锁定在火星极地冰盖中。火星大气层非常稀薄，太阳辐射直达火星地表，从而增大了生命在火星地表生存的难度。火星水的证据首先出现于 2000 年。当时，美国宇航局「火星全球勘测者」飞船发现了火星地表疑似由流水形成的沟壑。
一些科学家相信，火星并非一直都是荒原。远古火星有河流和溪流，还有巨大的海洋。虽然火星水后来大量流失到太空，但早期湿润火星的环境条件有可能适合生命演化。有一种观点是，一座远古海洋有可能覆盖火星表面积的 19%。与之相比，地球的大西洋覆盖地表的 17%。正由于火星过去可能存在大量水，因此有科学家推测火星保持湿润的时间比之前预计的要长一些，火星可居住的时间自然也要长一些。

疑似由流水冲刷出来的火星沟壑
还有一种可能性，就是今天火星表面或地下可能有液态水流动。火星表面的季节性斜坡纹线是源自流水还是流沙？科学家对此一直有争议。美国地质调查局天体生物学中心在一份声明中说，虽然一些人相信季节性斜坡纹线可能是流水的迹象，但它们实际上与流沙更匹配。这种对季节性斜坡纹线的新理解，与显示今天火星很干燥的其他证据吻合。

火星陨石 84001 中的疑似化石结构
地下水对火星生命来说可能更友好。地下水能让潜在的火星生命避开火星地表的强辐射。霍尔特等科学家指出，已有证据表明火星存在一个与苏必略湖面积相当的冰层，该冰层比大多数火星水冰都更容易探测，因为它位于一个相对低纬度的平滑区域，飞船在这里登陆比在其他含冰区域容易。
微型飞碟

过去 40 亿年来，有一些火星来客造访地球。地球一直被来自火星表面的岩石轰击。在地球上能得到的太阳系天体样本提供者不多，而火星是其中之一。在已经发现的 34 块火星陨石（科学家戏称它们是微型飞碟）中，科学家认为有 3 块可能携带了远古火星生命的证据。火星陨石 84001 中的疑似化石结构。
1996 年，一块发现于南极洲的陨石——AIH 84001（简称 84001）成为头条新闻。科学家当时宣布，它可能包含火星生命的证据。84001 包含着像是细菌化石的结构。后续测试表明 84001 包含有机物，但有关这些有机物是不是由生物学过程产生的争论直到 2012 年才终结。当时，科学家确定这些有机物的形成并没有生命参与。科学家的结论是，火星在长时间里曾有过有机碳化学过程，但 84001 包含的有机分子并非源于生物过程，而是源于火山机制。另一方面，尽管这些分子形成于非生物过程，它们的有机特性对于寻找生命来说具有正面意义。在地球上有机化学过程形成了生命，在火星上自然也有这样的可能。

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已经有很多细节的分析了，我来补充下这次事件在整个人类探测火星水研究方面的地位和意义吧，科普下在火星上如何找水。


昨天夜间，新一期的《科学》杂志公布了一个大新闻：欧空局的火星快车号探测器在火星南极极冠之下1.5千米处，发现了一个直径达到20千米的地下水富集区域，极有可能是个巨大的湖泊，相较而言杭州西湖最宽处仅仅3.2千米。火星地下湖的发现，是探测火星历史上里程碑式的重大发现。
发现地下湖的火星南极极冠（图自：NASA）
1.大量水源的发现意味着什么？
水是生命之源，大量的水极有可能孕育生命，地球上生物多样性已经足够说服所有人相信生命的无穷潜力，毕竟地球上大洋底部的火山口环境中都能孕育各种生命，更别提地球上还有近800种生命力极其强悍的水熊虫物种（没听说过的读者可以搜索下，感受下这物种的可怕！），火星这个地下湖的条件也可能孕育。
大洋底部的火山口温度极高、几乎没有氧气，但依然有生物广泛存在于周边（图自：NASA Science）
火星南极极冠附近长期处于酷寒状态，绝大部分是二氧化碳干冰，地下湖所在的位置温度也低至-60度左右，没有结冰、很高的导电率说明水中富含各种盐类，是高浓度卤水。
按照此前好奇号火星车的研究，火星上高氯酸盐并不罕见，那么这个水湖中很有可能溶解了大量的高氯酸盐，而中学知识告诉我们，加热氯酸钾就能产生氧气。同时，水本身是一种优秀的能量转换介质，电解（例如使用太阳能和核能）产生氢和氧都是人类所亟需的，氧气可用于呼吸，液氧液氢也是重要的火箭燃料。
液态水、仅仅极冠之下1.5千米深，这意味着利用起来难度并不大，同时还有一个重点：这只是发现的第一个。
2.谁发现的？
科学家们的分析数据来自欧空局第一个火星探测器火星快车号。它主要得名于2003年的6月的发射窗口是6000万年以来火星与地球之间达到的最近状态，只需要半年左右即可抵达（6月2日出发12月25日圣诞节抵达），犹如快车一般。不过时间一晃过去了15年，它的轨道器至今依然在火星工作。
火星快车轨道器和小猎犬二号着陆器（图自：NASA）
此前的美苏/俄探测实在遭遇过太多不幸的失败，欧洲人并没有把所有的鸡蛋放在一个篮子里，这颗探测器的预算也相对较少，仅为3.5亿美元左右。为了节省成本，这个火星快车和欧空局的另外两个重要任务--探测彗星的罗塞塔号、探测金星的金星快车号--使用基本一样的卫星平台。它还尽量实现低成本、多功能，搭载了一个英国主要负责研发的小猎犬二号火星着陆器，这个小猎犬二号与当年两次载着伟大生物学家达尔文发现物种起源和进化论的帆船同名。欧洲人对这次任务的期待可想而知。
不过很不幸，小猎犬二号成功降落火星后并没有正常工作。《变形金刚》系列电影也向这位伟大的人类使者致敬，在电影开头中小猎犬二号是在火星被邪恶势力霸天虎的红蜘蛛发现并破坏，红蜘蛛也因此发现了小猎犬二号就来自隔壁的地球，最终将《变形金刚》的战火烧到了地球！
3.科学家们都有哪些手段在火星发现水？
历史上人类共有55个火星探测任务，但是成功率只有可怜的53%，毫无疑问，几乎每一个任务都将发现水作为一个重要研究方向。通常来讲，探测火星任务主要有三种：轨道器，飞在空中；着陆器，降落定点勘察；火星车，可以移动。不同的任务也能在不同的维度进行分析，对水的探测技术大概有如下几类：
· 遥感拍照。NASA的轨道侦察器（2005工作至今）携带了一个口径高达0.5米的高精度观测相机，它可以对火星实现分辨率0.3米的高清绘制，它曾经在2011年拍到过卤水在斜坡上汇聚成溪流的壮观景象。
轨道侦察器拍到的大量水流痕迹（图自：NASA）
· 氢原子全球监控。NASA的奥德赛号轨道器（2001工作至今）借由探测仪器发现了氢原子在火星地下大量存在，尤其是在火星两极底部、奥林帕斯山山坡等地，空气中的氢原子含量甚至在周期性变化，这是最早坐实火星上广泛存在水的轨道器。后来的NASA大气专家任务、欧洲的ExoMars任务都丰富了这个分析。
· 雷达。本次的重大发现就由欧洲的火星快车号（2003工作至今）上雷达完成，通过分析雷达回波研究土壤介电常数，当干燥的土壤中出现大量的水分时介电常数自然会大幅上升。火星快车已经收集了十几年数据，目前只是分析了星下轨迹最多的极地地区，这必将激励科学家们进一步分析其他区域。
可以明显看出雷达探测到的介电常数在这片区域出现巨大变化
（摘自：R. Orosei et al. Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science.）
· 光学和红外光谱仪。NASA的奥德赛号通过采用这种方式重点分析了两极的冰冠，毕竟冰的形成夹杂着沙尘，它的研究结论证明极地地区覆盖有85%的干冰和15%的水冰，总量和格陵兰岛相媲美，后来的各个任务也确认此发现。
· 物理分析。这种研究需要接触到土壤，就只有着陆器和火星车能够完成，目前成功实现着陆的全部是NASA任务，70年代的两个海盗号着陆器、90年代末的探路者着陆器和旅居者号火星车、21世纪的凤凰号着陆器、勇气号火星车、机遇号火星车、好奇号火星车，它们可以直接分析土壤中水分含量，凤凰号更是挖出了冰块。它们基本证明火星地表土壤水含量在2%左右，而更深处这个比例更高。
凤凰号挖到的冰块出现明显的融化趋势（图自NASA）
· 中子反照设备。这是好奇号火星车的独门绝活，它会不断向土壤发射中子束，分析中子与氢原子核为主的能量反应，从而得到土壤不同深度氢原子（水和潜在有机物）含量。它降落的盖尔撞击坑已经存在了35亿年且接近火星赤道地区，本应非常干燥，但这里的深层土壤依然广泛发现了水分的存在。
· 辅助分析。火星上先后发现了黏土、非常圆滑的砾石、成片出现在地势较低处的盐分、含铁化合物的水合物、小型沟渠等，这些都印证了火星必然曾经广泛存在水流。
然而，这些研究都指向历史上存在的水和痕迹，仅存的水实在少得可怜。后续的研究结论更让科学家们失望：火星已经基本内部冷却不再活跃、进而逐渐停止地质运动，这意味着地表的空气和水已经没有补充；内部冷却磁场消失，没有了庇护大气和水的的保护伞，太阳风依然在不停剥离这些宝贵资源。
但是，今天的发现告诉我们：人类还不算晚，因为火星深层依然存在大量的水，甚至这种湖泊可能在别处存在！这意味着新的希望！
人类派到火星的使者们合影（图自：http://planetary.org）
直到今天，火星依然有共计8个探测器（美国5个，欧洲2个，印度1个）在工作，今年五月新发射的NASA洞察号探测器也正在飞往火星途中。而到了2020年，美国、中国、欧盟、印度等国又将掀起新一波探测高潮，我国也将挑战一次实现轨道器、着陆器和火星车的复杂任务。希望这些探测器为我们带来更多研究结论，载人登陆火星的意义也会显著增强。
也许我们距离发现火星生命，真的只差下一个研究。
（本文中标明来源的图片均已获得授权）
出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院计算机网络信息中心




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