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自然科普： -70度！还是液态水湖！移民火星真有希望了
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原本要等到明天（27日），火星才会“火”——火星将迎来天文学上谓之“大冲”的现象，是自2003年以来距离地球最近的一次。这既为天文爱好者近距离观测火星提供了时机，也为科学家们发射火星探测器提供了绝佳的机遇。不过，火星大冲的讨论还未沸腾，昨日晚的一条新消息率先引爆了火星的热度。
北京时间7月25日晚间，由意大利科学家Roberto Orosei领衔的欧空局团队宣布，在火星的南极冰盖下发现了一个宽20公里的地下大湖。这是人类首次确定火星上存在液态水。美国《科学》杂志发布了欧洲火星快车号（Mars Express）卫星发现液态水的文章。文章称，科学家利用搭载在火星快车上的雷达接收到的反射信号，探测到了这一湖泊。这一重大发现让火星一举抢占了昨晚各大新闻客户端的新闻弹窗。
图1：发表文章截图（图片来源：Science)
在过去的五十多年中，人类为在火星上寻找液态水投入了巨大的精力。全世界的科学家们先后发射了20多个火星探测器，至今仍有6颗卫星在轨工作，2辆火星车在地实勘，还有一个探测器正在飞往火星的途中。为什么确认火星的液态水存在这么难？火星上液态水的存在对我们究竟有何意义？这一次科学家们又是如何实现这一突破的呢？
火星之水 缘何重要
在太阳系之中，和地球最为相似的一个星球莫属火星。它的转轴相对于它的运行平面的倾角几乎和地球完全一样，所以火星上也有着类似于地球的四季划分。不过因为它距离太阳系中心较远，且表面大气更为稀薄，所以火星表面平均温度更低，在零下30度左右。
火星也同样处于太阳系中的生命宜居带中，尽管更靠近外侧边缘。根据天文学家对于生命宜居带的定义，火星上应该是有液态水存在的，也有可能存在着生命迹象。自从19世纪末科学家发现了火星上一些疑似运河的迹象之后，关于火星人的传闻便不绝于耳。在上世纪30年代，美国甚至有个电台说火星人从新泽西入侵，准备进军华盛顿，这一消息引发的恐慌波及了上百万人。火星人虽然是假，但火星上到底有没有生命、去哪里寻找火星生命，一直是天文学家和普通大众都非常关心的一个问题。
基于人类对于地球生命的理解，水是生命诞生极为重要的一个条件。对地球生物演化的研究告诉我们，地球上最早的生命形态就诞生于水里。所以要想研究生命的起源以及火星上是否有生命存在，寻找液态水是一个极为关键的一步。除此之外，在火星上寻找液态水还有另外一个重要动机——很多证据表明，很久之前，火星上应该存在着大量的水，但是随着大气丢失，火星温度变低，水逐渐的消失掉了。一部分水散失到了太空中，那么除了火星两极的冰冠和掩埋在地下的冰之外，其它的水都存在于什么地方？科学家长久以来都在苦苦寻找着这一问题的答案。
在发现液态水的消息传来之前，半个多世纪的火星探索也为我们解开了些许谜题，在刚刚过去的几年里取得了一些突破性进展。比如，2015年，科学家们发现了液态氯水在火星表面存在的证据。众所周知，火星表面平均温度很低，液态水几乎不可能存在，所以要想在表面存在，肯定不是普通的液态水，那一次发现的水正是因为是溶解了化学元素，其结冰点才显著降低了。今年年初，科学家们又在火星中纬度地区发现了浅表冰。
这一次，科学家在火星南极冰盖下发现了一个大湖！液态水的发现，从很大程度上解决了科学家一直以来关心的“火星水去哪了”的问题，算得上是火星研究史上的一个重大突破、一个里程碑式的发现。
这一发现也使得我们发现火星生命的希望更为接近了。我们已在地球南极的冰盖下探测到了生命迹象，如果火星之前有生命的话，那么生命的种子或许也会保留下来。
随着地球环境的逐步恶化和地球资源的减少，不少人提出把火星变成人类的第二家园。如果人类未来有一日真的移民火星，包括液态水在内的一些生存条件必须能够满足。然而即便有了水，太空移民的日子也还非常遥远。火星大气的主要成分是二氧化碳，大气非常稀薄，只有地球大气厚度的百分之一，也是一个非常重要的限制条件。
寻水艰难 何以做到
做出此次重大发现的设备，是搭载在欧洲火星快车探测器上的火星地下和电离层探测高级雷达（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，简称为MARSIS）。火星快车探测器发射于2002年，经过约一年半的飞行，最终在2003年12月抵达火星，开始绕火星运动观测。到目前为止已成功运行了15年。
图2：卫星示意图 （ESA）
搭载其上的高级雷达向两侧各伸出一个20米的天线，最终相加形成了一个长达40米的天线。如此长的天线保证了雷达的灵敏性。当雷达发射出去的信号被火星表面反射之后，天线就能很容易地接收到这些反射信号。
在理解这个卫星是如何探测到液态水湖泊之前，我们需要理解两个方面的物理概念。
首先，电磁信号在同一种介质中通常会一直向前传播，在遇到不同介质的分界层时，电磁波信号会发生反射，雷达从而通过接收到返回信号的时间差来判断厚度。
那么我们如何判断是哪一种介质或物质呢？这就涉及到一个叫做介电常数的物理概念。对于同一种物质而言，不同的电磁波或光子在其中的传播速度也有不同，材质会对不同频率的光子的传播速度产生影响。如果能够测量到不同频率光子的到达时间差，我们就可以对特定物质的介电常数做出限制。每种物质的介电常数不同，我们从而可以将不同的物质区分开来。比如说，真空的介电常数值为1，冰的数值在3-4之间，纯净水的介电常数约为80，这次探测到的冰层之下物质的介质值大于15，在排除了其它都可能性之后，被确定为很可能是水态湖泊。
图3：探测原理图（ESA）
搭载在卫星上的雷达能够发射3个不同频率的电磁波（3MHz, 4 MHz, 5MHz），通过接收不同频率电磁波的到达时间并进行数据分析，科学家们推断出，在火星南极冰层之下1.5公里处存在着一个巨大的液态水湖泊。
此次探测发现还面临着一个很重要的问题——水的成分构成——这个大湖中的水，是纯净水还是类似于之前的氯水？根据测量结果，火星南极的温度低至零下70度，如是液态水，便肯定不是纯水，也是类似于之前发现的、溶解了某些化学元素的水。据科学家估计，水中很可能含有一种叫做高氯酸盐的成分。这种盐在火星上很常见，在火星的其它许多地方也有发现，它的存在极大地降低了水的冰点。
无论如何，液态水湖泊的发现仅仅是火星研究进展中的重要一步，除此之外还有好多的未解之谜，如同宇宙的其它之谜一样，等待着我们去探索。
附：地球火星特征对比：
图片来源：NASA
（本文中标明来源的图片均已获得授权）
出品：科普中国
制作：黑洞来客团队
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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北京时间7月25日晚间，由意大利科学家Roberto Orosei领衔的欧空局团队宣布，在火星的南极冰盖下发现了一个宽20公里的地下大湖。这是人类首次确定火星上存在液态水。美国《科学》杂志发布了欧洲火星快车号（Mars Express）卫星发现液态水的文章。文章称，科学家利用搭载在火星快车上的雷达接收到的反射信号，探测到了这一湖泊。这一重大发现让火星一举抢占了昨晚各大新闻客户端的新闻弹窗。
图1：发表文章截图（图片来源：Science)
在过去的五十多年中，人类为在火星上寻找液态水投入了巨大的精力。全世界的科学家们先后发射了20多个火星探测器，至今仍有6颗卫星在轨工作，2辆火星车在地实勘，还有一个探测器正在飞往火星的途中。为什么确认火星的液态水存在这么难？火星上液态水的存在对我们究竟有何意义？这一次科学家们又是如何实现这一突破的呢？
火星之水 缘何重要
在太阳系之中，和地球最为相似的一个星球莫属火星。它的转轴相对于它的运行平面的倾角几乎和地球完全一样，所以火星上也有着类似于地球的四季划分。不过因为它距离太阳系中心较远，且表面大气更为稀薄，所以火星表面平均温度更低，在零下30度左右。
火星也同样处于太阳系中的生命宜居带中，尽管更靠近外侧边缘。根据天文学家对于生命宜居带的定义，火星上应该是有液态水存在的，也有可能存在着生命迹象。自从19世纪末科学家发现了火星上一些疑似运河的迹象之后，关于火星人的传闻便不绝于耳。在上世纪30年代，美国甚至有个电台说火星人从新泽西入侵，准备进军华盛顿，这一消息引发的恐慌波及了上百万人。火星人虽然是假，但火星上到底有没有生命、去哪里寻找火星生命，一直是天文学家和普通大众都非常关心的一个问题。
基于人类对于地球生命的理解，水是生命诞生极为重要的一个条件。对地球生物演化的研究告诉我们，地球上最早的生命形态就诞生于水里。所以要想研究生命的起源以及火星上是否有生命存在，寻找液态水是一个极为关键的一步。除此之外，在火星上寻找液态水还有另外一个重要动机——很多证据表明，很久之前，火星上应该存在着大量的水，但是随着大气丢失，火星温度变低，水逐渐的消失掉了。一部分水散失到了太空中，那么除了火星两极的冰冠和掩埋在地下的冰之外，其它的水都存在于什么地方？科学家长久以来都在苦苦寻找着这一问题的答案。
在发现液态水的消息传来之前，半个多世纪的火星探索也为我们解开了些许谜题，在刚刚过去的几年里取得了一些突破性进展。比如，2015年，科学家们发现了液态氯水在火星表面存在的证据。众所周知，火星表面平均温度很低，液态水几乎不可能存在，所以要想在表面存在，肯定不是普通的液态水，那一次发现的水正是因为是溶解了化学元素，其结冰点才显著降低了。今年年初，科学家们又在火星中纬度地区发现了浅表冰。
这一次，科学家在火星南极冰盖下发现了一个大湖！液态水的发现，从很大程度上解决了科学家一直以来关心的“火星水去哪了”的问题，算得上是火星研究史上的一个重大突破、一个里程碑式的发现。
这一发现也使得我们发现火星生命的希望更为接近了。我们已在地球南极的冰盖下探测到了生命迹象，如果火星之前有生命的话，那么生命的种子或许也会保留下来。
随着地球环境的逐步恶化和地球资源的减少，不少人提出把火星变成人类的第二家园。如果人类未来有一日真的移民火星，包括液态水在内的一些生存条件必须能够满足。然而即便有了水，太空移民的日子也还非常遥远。火星大气的主要成分是二氧化碳，大气非常稀薄，只有地球大气厚度的百分之一，也是一个非常重要的限制条件。
寻水艰难 何以做到
做出此次重大发现的设备，是搭载在欧洲火星快车探测器上的火星地下和电离层探测高级雷达（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，简称为MARSIS）。火星快车探测器发射于2002年，经过约一年半的飞行，最终在2003年12月抵达火星，开始绕火星运动观测。到目前为止已成功运行了15年。
图2：卫星示意图 （ESA）
搭载其上的高级雷达向两侧各伸出一个20米的天线，最终相加形成了一个长达40米的天线。如此长的天线保证了雷达的灵敏性。当雷达发射出去的信号被火星表面反射之后，天线就能很容易地接收到这些反射信号。
在理解这个卫星是如何探测到液态水湖泊之前，我们需要理解两个方面的物理概念。
首先，电磁信号在同一种介质中通常会一直向前传播，在遇到不同介质的分界层时，电磁波信号会发生反射，雷达从而通过接收到返回信号的时间差来判断厚度。
那么我们如何判断是哪一种介质或物质呢？这就涉及到一个叫做介电常数的物理概念。对于同一种物质而言，不同的电磁波或光子在其中的传播速度也有不同，材质会对不同频率的光子的传播速度产生影响。如果能够测量到不同频率光子的到达时间差，我们就可以对特定物质的介电常数做出限制。每种物质的介电常数不同，我们从而可以将不同的物质区分开来。比如说，真空的介电常数值为1，冰的数值在3-4之间，纯净水的介电常数约为80，这次探测到的冰层之下物质的介质值大于15，在排除了其它都可能性之后，被确定为很可能是水态湖泊。
图3：探测原理图（ESA）
搭载在卫星上的雷达能够发射3个不同频率的电磁波（3MHz, 4 MHz, 5MHz），通过接收不同频率电磁波的到达时间并进行数据分析，科学家们推断出，在火星南极冰层之下1.5公里处存在着一个巨大的液态水湖泊。
此次探测发现还面临着一个很重要的问题——水的成分构成——这个大湖中的水，是纯净水还是类似于之前的氯水？根据测量结果，火星南极的温度低至零下70度，如是液态水，便肯定不是纯水，也是类似于之前发现的、溶解了某些化学元素的水。据科学家估计，水中很可能含有一种叫做高氯酸盐的成分。这种盐在火星上很常见，在火星的其它许多地方也有发现，它的存在极大地降低了水的冰点。
无论如何，液态水湖泊的发现仅仅是火星研究进展中的重要一步，除此之外还有好多的未解之谜，如同宇宙的其它之谜一样，等待着我们去探索。
附：地球火星特征对比：
图片来源：NASA
（本文中标明来源的图片均已获得授权）
出品：科普中国
制作：黑洞来客团队
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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