“祝融号”拍摄的火星沙丘上的水痕。地质与地球物理研究所供图

现代火星上有液态水吗？科学家通过“祝融号”火星车拍摄的照片发现，答案是肯定的。

中国科学院地质与地球物理研究所研究员秦小光与合作者分析认为，火星沙丘上的结壳、龟裂等各种“水痕”就是确凿的证据，而且这些痕迹来自降霜或降雪，而非地下水。相关研究近日发表于《科学进展》。

这个研究结果得来并不容易。这是我国首次探测火星，没有前路可循，为了判别照片中的每个地貌痕迹，研究团队需要仔细查看每一张图片，用地球上学到的“十八般武艺”反复推敲火星上的每一个线索以形成判断，然后反复确认每一个结论是否站得住脚。

“我们的发现填补了在火星低纬度地区液态水地面观测证据的空白，说明现代火星气候可以出现更潮湿的环境。”论文通讯作者秦小光对记者说。

从一个现象推导出一个结论，再解开一道又一道的深空谜题，科学家正走在探索之路上。

沙丘“水痕”

秦小光仍记得，拿到第一批“祝融号”火星车数据时的兴奋。“祝融号”着陆区地貌最显著的是沙丘，他与中国科学院国家天文台研究员任鑫查看火星车车载相机传回的照片时，惊奇地看到沙丘表面的奇特现象——龟裂和带状痕迹。

这些都是正常沙丘表面不应该出现的形态特征。长期的地貌研究经验让秦小光推断：这极可能是水留下的痕迹。

“它们看上去就像地球上一片池塘干涸后留下的岸线痕迹。”秦小光向记者回忆。

寻找与水相关的线索一直是科学家研究行星历史和生命宜居性的一个关注焦点。科学家已经发现，早期火星曾存在大量液态水，但伴随火星早期大气逸散，气候环境发生极大转变，极低的气压和水汽含量导致今天火星上的水很难以液态形式稳定存在，而主要以固态或气态的形式存在。

尽管如此，科学家已经发现现代火星液态水的蛛丝马迹。例如，在火星高纬度着陆的美国“凤凰号”探测器的机械臂上就曾观测到“液滴”。科学家认为，这说明当前火星高纬度地区夏季可以短暂出现含盐液态水。数值模拟也显示，适合液态水存在的气候条件可以短暂出现在今天火星的某些地方。

那么，气温最高的火星低纬度地区是否存在液态水呢？着陆点距火星“赤道”更近的“祝融号”为回答这个问题提供了契机。

2021年5月，天问一号火星任务搭载的“祝融号”漫游车成功着陆在乌托邦平原南部边缘（北纬25.066度，东经109.925度）。“祝融号”工作了350多个火星日，行程约2000米，获得了大量宝贵的科学探测数据。

为分析火星探测任务传回的数据，时任地质与地球物理研究所所长的吴福元院士和首次火星探测任务首席科学家潘永信院士第一时间整合全所各个专业方向的人员，成立火星探测攻关团队，分组对此次任务传回的数据进行挖掘。

研究地貌和环境变化的秦小光负责组织开展火星地貌环境方面的研究，他与该所研究员王旭、吴海斌和博士张师豪，联合中国科学院国家天文台研究员刘建军、任鑫及中国科学院大气物理研究所博士孙咏等20多人，开始分析“祝融号”传回的火星地貌信息。

他们利用“祝融号”上搭载的导航地形相机、多光谱相机及天问一号遥感图像，对4个火星沙丘进行了详细观测，首次发现“祝融号”着陆区的沙丘表面存在结壳、龟裂、团粒化、多边形脊、带状痕迹等表面特征。

进一步研究中，他们发现，根据沙丘形态特征和表面颜色深浅，着陆区沙丘有“亮沙”，也有“暗沙”。亮沙表层基本都有结壳、龟裂等与水相关的特征；暗沙则多存在团粒化结构，团粒比风沙颗粒大得多，用激光将其打碎后，他们发现这些团粒是由沙粒凝结在一起构成的。

这是如何形成的呢？在火星表面，胶结物质有很多，如干冰、水冰、黏土、盐类和其他无机胶结物。根据二氧化碳和水的性质以及“祝融号”着陆点的大气条件，研究者排除了干冰和水冰作为沙粒胶结物的可能性。而短波红外被动光谱数据显示，沙粒胶结物最可能是含水硫酸盐、蛋白石（含水二氧化硅）、含水氧化铁等成分。

以盐为代表的这些含水矿物作为凝结剂胶结沙粒形成沙粒团，需要水的参与。那么，水从哪儿来呢？

为什么是霜雪？

据介绍，在火星上，水主要有3个潜在来源：地下水、降霜与降雪、降雨。根据观测到的现象，研究团队对这些来源一一排查。

“假如是地下水通过毛细水蒸发到达火表，水蒸发后，水里的盐就会在地表留下来，形成盐碱。”秦小光说，但研究团队并未在沙丘附近的低地看到这种现象，相反，结壳却出现在位置较高的沙丘表面，显然地下水的毛细水蒸发不太可能形成沙丘表面的结壳，他们由此排除了地下水的可能性。

而水究竟是通过降霜与降雪还是降雨的形式到达火表的，取决于火星大气的温度和水气压。根据火星气象条件观测，现代火星的大气压和水汽分压极低，基本不可能下雨。而气温降至零下74摄氏度的霜点后，火星大气中的水汽就会形成降霜或降雪，而降霜和降雪都已在火星上观察到。他们就此推测，着陆区沙丘的表面特征与降温时在含盐沙丘表面的降霜或降雪有关。

根据对“祝融号”携带的温度计的不完全观测，再结合其他国外火星车的观测，着陆点附近最高温度为零下8摄氏度，更低时可接近零下100摄氏度。“如果火星上有液态水，根据地球上的情况，零度就该结冰了。但这个地方仪器却没测出冰的成分，这到底是怎么回事呢？”秦小光和团队反复推敲。

根据多年在罗布泊考察的经验，秦小光认为，当地的盐池也是冬天不结冰，因为高浓度卤水的“共晶温度”（相较于纯水冰点）更低，具体的冰点则跟含盐类型和含盐量有关。而沙丘表面富含含水硫酸盐等盐类，气温升高时可在较低温度下导致霜雪直接从固态变为液态。

基于此，研究者给出了沙丘表面特征的演化模型：降温到霜点后形成降霜或降雪，升温时与含盐物质混合的霜雪在较低温度下融化为含盐液态水，随着温度继续升高（每天或季节变化），盐水干燥失水后硫酸盐、蛋白石和铁氧化物等含水矿物胶结沙粒形成风沙团粒，乃至结壳，结壳进一步干燥形成龟裂。后期的再次降霜降雪在结壳上进一步形成多边形脊和带状水痕等液态水活动痕迹。

一个逻辑严谨的假设

“这是基于‘祝融号’火星车多源观测数据的一个逻辑严谨的假设。”《科学》国际审稿人、美国布朗大学的James W. Head认为，这种转换发生的温度条件在季节和日时间尺度上都可以满足。

研究者认为，这与火星大倾角活动是一致的。根据沙丘上陨石坑的统计，他们确定沙丘形成于距今140万至40万年以后。其间有过多次火星地轴大倾角时期，火星的轨道倾角（轨道平面与火星赤道面的夹角）与现代类似甚至更大，这时水汽会从极地冰盖向赤道方向扩散传输，致使火星低纬度地区出现多次湿润环境，有助于降霜降雪，导致含盐沙丘表面结壳和团粒化，造成沙丘固化并留下液态水活动痕迹的形成模式。

《科学》另一位国际审稿人认为，这项研究描述了数百万年前火星湿润条件的证据。这些观测结果非常有趣，它们记录的火星低纬地区的特征可作为最近更为湿润的条件的证据。

“该研究说明大倾角时期，与现代类似或更潮湿的气候和气象条件曾在火星上出现过，允许现代火星低纬度地区多次出现含盐液态水。而小倾角的时候，水汽从低纬度地区向高纬度地区扩散，最后又回到冰盖。”秦小光说，这个过程跟火星大气的环流乃至水循环都有关系，对了解火星气候演化历史、寻找宜居环境有重要意义。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.add8868

来源：中国科学报