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火星的兩極也是冰雪世界嗎?

發布日期:2021年03月26日 来源 : 中国的航天 字體: 【大】【中】【小】

  說起地球的南極和北極,大家的腦海中立刻就會浮現冰天雪地、白雪皚皚的畫面。那麽,地球的鄰居——火星,也就是鋼鐵俠馬斯克口中說要移民的星球,它的南北極又是怎樣的呢?會不會也是冰天雪地的壯麗模樣?


  地球南北極(圖片來源:NASA)


  初見火星兩極


  17世紀末,荷蘭天文學家惠更斯利用自己設計的精密望遠鏡,首次發現火星南北極都擁有一個巨大的“白斑”,像是戴著白色的帽子。雖然這位天文大家當時到底看到的是什麽樣的景象我們不得而知,但後來人類通過努力,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所覆蓋,白色物質與紅棕色地區有鮮明的對比,還可以觀測到強風和暴風雨的痕迹。這樣的場景,讓我們不禁聯想到地球南北兩極的冰天雪地。有時候,火星上還會有白雲出現,遮掩火星表面的地質特征,使人類火星軌道探測器無法拍攝清楚。


  火星兩極極冠(圖片來源:NASA)


  


  2006年火星北極極冠照片(圖片來源:ESA)


  神秘的白色物質


  看起來像帽子又像拿鐵上拉花的白色物質到底是什麽?先人們尋找答案的腳步從未停歇。18世紀末,英國科學家斯托尼就曾設想白色物質是固體二氧化碳,即我們俗稱的“幹冰”。到了20世紀中葉,天文學家柯伊伯使用分光技術觀測,推測白色物質是水冰而不是幹冰。受當時科學技術所限,斯托尼和柯伊伯也只能停留在猜測的階段。


  直到人造探測器對火星進行了多次探測,人類才正式確認極冠中含有85%的二氧化碳幹冰和15%左右的水冰。這是對火星認識的巨大進步,也是對先人科學假想的證據回應。


  極冠含有水冰和二氧化碳幹冰(圖片來源:Science)


  隨季節變化的火星極冠


  火星探測器傳回的照片顯示,火星表面大部分地區都是砂石林立、塵土飛揚的幹燥荒蕪世界,那麽兩極極冠是如何形成的呢?


  依照地球上的生活經驗,看到白雪皚皚、冰天雪地的冰凍世界第一感受當然是“冷”了。作爲地球“姊妹星”的火星,也像地球一樣,有冬夏輪回。火星與太陽的距離比地球遠,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幹冰組成的物質永久存在。


  火星極冠會不會隨季節而變化?早在20多年前,人類就已經利用哈勃望遠鏡觀測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蒸發掉約1米的幹冰層,而火星南極的幹冰層厚度約8米,在整個夏季來不及全部蒸發。這就導致火星極冠每年都會發生變化,與地球南北極冰雪變化類似,夏天溫度高的時候,冰雪融化,極冠範圍就會縮小,而一到冬季,由于氣溫下降,大氣中的二氧化碳開始凝華,極冠範圍隨之變大。水和二氧化碳憑借升華與凝結往返于極冠與大氣之間,構成了現今火星氣候重要的一環。


  望遠鏡觀測到的火星北極極冠變化圖(圖片來源:美國亞利桑那大學)


  極冠不僅蘊含液態水湖,還有隕石坑冰湖


  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!


  除了地下層蘊含液態水體外,在火星北極地區大奧林匹亞·昂達沙丘場的南部,有個保持完好的隕石坑——科羅列夫(Korolev)隕石坑。該隕石坑底部位于其邊緣下方兩公裏處,包圍著一個約1.8千米厚的圓頂狀沈積物,是水冰和幹冰的合物。冰上的空氣在冷卻後比周圍的空氣重,因此科羅列夫隕石坑內的“冰”永久穩定存在。由于空氣是熱的不良導體,因此水冰層可以有效地避免被加熱和升華。


  隕石坑冰湖(利用數字地形模型和“火星快車號”探測數據合成制作)(圖片來源:ESA)


  
  地球上,水是生命之源,是人類生存的寶藏。


  火星上,水冰資源的發現無疑令人欣喜。


  人類正派出火星探測器奔向太空、開往火星,期待這些“先鋒們”挖掘出更多“寶藏”,獲取更多發現!

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