水和有機(jī)物，是可能與生命的存在息息相關(guān)的重要條件，因此也是深空探測中魂?duì)繅艨M的重要搜尋目標(biāo)，但這里所說的“水”，其實(shí)都是特指的“液態(tài)水”。
而固態(tài)形式的水，也就是水冰，其實(shí)在內(nèi)太陽系（小行星帶以內(nèi)的太陽系）并不罕有，在外太陽系（小行星帶以外的太陽系）就更常見了。畢竟要想讓水冰穩(wěn)定保存下來，需要的條件要簡單得多：夠冷就行。
那么火星上有沒有水冰呢？不僅有，而且還不少。下面我們先從暴露在地表的水冰說起。
火星地表的水冰
火星的南北極地區(qū)就常年有大量的水冰暴露在表面上。火星的自傳軸傾角和地球差不多（接近25°）?，所以和地球一樣，火星也有鮮明的四季變化，也有終年冰封的南北極。只不過，火星的南北極冰蓋里不僅有水冰，還有干冰（固態(tài)二氧化碳）。再加上火星比地球離太陽更遠(yuǎn)，總體來說還要比地球更冷一些。
那中低緯區(qū)域可能有水冰存在嗎？
雖然火星現(xiàn)在的自轉(zhuǎn)軸傾角和地球差不多，但火星歷史上自轉(zhuǎn)軸傾角有過從約10°到約60°的劇烈動蕩（所以如今和地球差不多的自轉(zhuǎn)傾角只是巧合而已），當(dāng)自轉(zhuǎn)傾角很大的時(shí)候，中低緯甚至赤道區(qū)域都有可能像如今的極區(qū)一樣，有著適宜水冰存在的低溫，但隨著自轉(zhuǎn)傾角的減小，中低緯度的溫度隨之增高，地表水冰就呆不住了……所以如果說的是中緯地區(qū)的地表水冰的話，答案應(yīng)該是“沒有”。但，地下還是可以有的嘛~如果這些水冰在還沒升華散逸的時(shí)候就被表層土壤埋起來了，就相當(dāng)于有了一層隔熱層，那么即使是中低緯度也是可能會有水冰的……吧？幾十年前的科學(xué)家們通過理論分析和對海盜號獲取的火星大氣數(shù)據(jù)的分析，做了這樣的預(yù)測(Leighton and Murray, 1966; Mellon and Jakosky, 1993; Mellon et al., 2004)。
尋找火星地下水冰的漫漫長路
這一預(yù)（猜）測（想）在新世紀(jì)的火星探測熱潮中很快就被著陸器和軌道器傳回來的數(shù)據(jù)證實(shí)了。
2001年發(fā)射的火星奧德賽號軌道器搭載的伽馬射線光譜儀GRS（Gamma Ray Spectrometer ）首次在火星上探測到了氫的存在，間接證實(shí)了火星地下含有水冰(Boynton et al., Science, 2002)。哦對了，這家伙和機(jī)遇號火星車一樣，也是個(gè)超長待機(jī)的主兒，到現(xiàn)在仍在火星上空工作著。
奧德賽號的伽馬光譜儀測量的火星全球超熱中子量分布。因?yàn)槌瑹嶂凶颖粴湓勇男首罡?，所以觀測到的超熱中子量越低就代表氫的富集度（水冰含量）越高，白線劃定的區(qū)域被認(rèn)為地表80cm以下有穩(wěn)定存在的水冰。(Boynton et al., Science, 2002 Fig. 6)
而2008年發(fā)射、降落于火星北部荒原（Vastitas Borealis）附近的鳳凰號著陸器就更加給力了，因?yàn)樗?b>直接挖到了水冰…而且既挖到了高純度的水冰，也挖到了滲透在土壤中的純度不高的水冰，堪稱一記實(shí)錘 (Mellon et al., 2009)。但鳳凰號的著陸點(diǎn)在火星北緯68°附近，還是挺高的，比這更低的中緯度上還有沒有大量的地下水冰存在呢？在沒有著陸器和火星車實(shí)地挖掘的情況下，我們?nèi)绾尾拍苤赖叵碌恼鎸?shí)情況呢？
2009年，亞利桑那大學(xué)的Byrne和Dundas團(tuán)隊(duì)提出了一種極其巧妙的方法：雖然我們不能親身去火星掘地三尺，但自有大自然把地下的物質(zhì)挖出來給我們看呀！他們通過對中緯區(qū)域新產(chǎn)生的小型撞擊坑進(jìn)行連續(xù)跟蹤，發(fā)現(xiàn)有些撞擊坑中的明亮濺射物在火星勘測軌道飛行器(MRO)攜帶的CRISM光譜儀的分析中顯示出含有水冰。更重要的是，這些亮斑過了幾個(gè)月消失了！這表明這些年輕的撞擊坑挖掘出的確實(shí)是地下的水冰，然后這些水冰暴露出地表之后很快就升華散逸了。
這樣的新鮮撞擊坑他們一共找到了五處，總體都位于北緯40-55°范圍，證明中緯區(qū)域的地下確實(shí)有水冰存在?(Byrne et al., Science, 2009)。但因?yàn)檫@些年輕撞擊坑都很小，向下挖掘深度只有幾分米，所以這些信息并不能告訴我們這些水冰到底量有多大，垂直分布如何。
在北緯40-55°范圍發(fā)現(xiàn)了五處地下水冰。底圖是海盜2號通過對火星大氣的測量估算的地下冰層的可能深度。(Byrne et al., Science, 2009 Fig. 1)
九年之后的今天，現(xiàn)已轉(zhuǎn)職去了美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）空間地質(zhì)科學(xué)中心的Dundas，和Byrne等一眾老隊(duì)友一起，解決了這個(gè)問題。他們再次利用大自然的鬼斧神工，通過對火星中緯度的八處斷崖地貌的詳細(xì)研究，“窺見”了火星中緯區(qū)域的地下深處。他們發(fā)現(xiàn)火星中緯區(qū)域的地下不僅有水冰，而且是大量的純凈水冰，從地下1-2米一直延伸到地下100多米。這一成果發(fā)表于2018年1月12日的《科學(xué)》雜志：Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes。
火星中緯區(qū)域的大量水冰
Dundas團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，火星中緯區(qū)域一些可能是塌陷和滑坡導(dǎo)致的斷崖，在經(jīng)過了色彩加強(qiáng)處理的超高分辨率MRO HiRISE影像中很有點(diǎn)不一樣：它們呈現(xiàn)出與周圍環(huán)境不同的色彩（也就是下圖右上的藍(lán)色區(qū)域，不過要注意的是，這里是色彩加強(qiáng)處理過的結(jié)果，并不是真實(shí)的顏色），表明這些剖面中物質(zhì)的成分不同。也就是說，這些斷崖相當(dāng)于是大自然贈與的天然剖面，可以讓我們從中窺見火星地表以下的地層結(jié)構(gòu)，而這些地層中暴露出來的成分不同的物質(zhì)，可能就是水冰。
斷崖形態(tài)示例，aa'、bb'、cc'和dd'對應(yīng)于右下的四副高程剖面圖，表明斷崖位于塌陷和滑坡的高處（后緣）。右上是斷崖部分在HiRISE的色彩加強(qiáng)影像中顯示出的色調(diào)差異。(Dundas et al., Science, 2018 Fig S9, S10)
為了證實(shí)這一猜想，他們在火星中緯度區(qū)域苦苦搜尋，共在南北緯55°附近找到了八處有類似特征的斷崖（scarp），全部都非常年輕。其中scarp 1-3三處在夏季中期時(shí)的CRISM光譜分析中顯示出了明顯的水冰吸收，表明這里含有純度較高的水冰（雜質(zhì)不超過1%），而不是滲透在土壤中的純度不高的水冰。
八處研究區(qū)域分別是位于南半球的Scarp 1-7和位于北半球的Milankovi?撞擊坑。根據(jù)Dundas et al. (Science, 2018)的補(bǔ)充材料繪制。
通過對剖面形態(tài)、高程和淺層雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析，可以推測這些區(qū)域地下地層的垂直構(gòu)造：這些水冰的貯存量非常大，從地下1-2米一直延伸到地下100多米。
斷崖之下可能的地層垂直結(jié)構(gòu)簡單示意圖，當(dāng)然實(shí)際每層的厚度不是固定不變的，而是處處不同。根據(jù)Dundas et al. (Science, 2018)的補(bǔ)充材料繪制。
也就是說，這是第一次在火星中緯地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量純凈的地下水冰。
此外，在Scarp 2區(qū)域還有意外的發(fā)現(xiàn)。通過對比此處時(shí)隔三個(gè)火星年（約6個(gè)地球年）的探測器影像，發(fā)現(xiàn)這里一些小石塊的位置發(fā)生了變化。劃重點(diǎn)：是位置發(fā)生了變化，而不是消失了（說明這些石塊確實(shí)是石塊而不是撞擊濺射出來的水冰，因?yàn)楹笳邥驗(yàn)樯A而消失）。這表明此處新暴露出來的水冰正在迅速升華消退（每個(gè)夏季消退幾毫米量級），由此引起的地形變化使石塊發(fā)生了移動。附近一些其他區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了地貌上的微小變化，可能也是因?yàn)樗艘鸬摹?/p>
Dundas et al. (Science, 2018) Fig. 4
斷崖暴露出的水冰本身也顯示出了明顯的緊密分層。作者由此推測，這些水冰可能是在火星自轉(zhuǎn)軸傾角較大，也就是中緯區(qū)域溫度較低的時(shí)候，由長年的降雪或者霜凍一層一層不斷壓緊和重結(jié)晶形成的。
這么多水冰，有用嗎？
超有用。這里挑兩點(diǎn)說。
一是可以幫助我們追溯火星歷史上的氣候變化。這些一層一層的冰層，就像我們地球上的地層一樣，忠實(shí)記錄著火星過去的氣候和地質(zhì)歷史，例如顏色較深、較厚的冰層說明那一年火星大氣中含有的塵埃較多……這些已經(jīng)在對火星南北極冰蓋的冰層研究中得到了應(yīng)用。
二是可以作為將來登陸火星的宇航員和火星移民的補(bǔ)給來源。純凈的水冰可以在簡單的處理之后成為人類的飲用水，更可以和二氧化碳（火星大氣中的主要成分）進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生可供人類呼吸的氧氣和可供作為火箭推進(jìn)燃料的甲烷 (Voosen, 2018)。只不過……唯一的問題是……既想著陸器獲得足夠的太陽能供給，又想著陸器著陸在一個(gè)富含水冰（緯度不太低）的地方，實(shí)在是挺難兩全的。
目前的火星著陸器，如果是對太陽能供電依賴度較高，那么選址基本會劃定在南北緯30°之間，比如接下來的Mars2020。2018年5月即將發(fā)射的洞察號火星著陸器，更是把著陸范圍縮小到了北緯3-5°之間。
所以南北緯55°，對火星載人著陸任務(wù)來說…還是…鞭長莫及啊，但可以沿用這個(gè)思路進(jìn)一步去尋找位于更低緯度的斷崖，或許有望能找到緯度更低的地下水冰儲備也未可知吧。
Mars2020的備選著陸點(diǎn)?？紤]光照因素，一開始就是在南北緯30°之間尋找著陸點(diǎn)。不過現(xiàn)在已經(jīng)又進(jìn)一步篩選過幾輪了啦。來源：NASA
參考
The Obliquity of Mars | HiRISE https://hirise.lpl.arizona.edu/ESP_034132_1750
Leighton, R. B., & Murray, B. C. (1966). Behavior of carbon dioxide and other volatiles on Mars.?Science,?153(3732), 136-144.
Mellon, M. T., & Jakosky, B. M. (1993). Geographic variations in the thermal and diffusive stability of ground ice on Mars.?Journal of Geophysical Research: Planets,?98(E2), 3345-3364.
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.
Boynton, W. V., Feldman, W. C., Squyres, S. W., Prettyman, T. H., Brückner, J., Evans, L. G., ... & Englert, P. A. J. (2002). Distribution of hydrogen in the near surface of Mars: Evidence for subsurface ice deposits.?Science,?297(5578), 81-85.
Mellon, M. T., Arvidson, R. E., Sizemore, H. G., Searls, M. L., Blaney, D. L., Cull, S., ... & Markiewicz, W. J. (2009). Ground ice at the Phoenix landing site: Stability state and origin.?Journal of Geophysical Research: Planets,114?(E1).
Byrne, S., Dundas, C. M., Kennedy, M. R., Mellon, M. T., McEwen, A. S., Cull, S. C., ... & Cantor, B. A. (2009). Distribution of mid-latitude ground ice on Mars from new impact craters.?Science,?325(5948), 1674-1676.
Voosen P. (2018). Cliffs of ice spied on Mars.?Science,?359(6372), 145.
Dundas, C. M., et al. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes.?Science,?359(6372), 199–201.
