文章來自“科學大院”公眾號 作者：韓娟娟
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。那么，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）
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么樣的景象，我們不得而知，但后來人類通過努力，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）
對比發現，地球和火星都戴著白色帽子。帽子，在古代也稱為“冠”。我們大陸人給火星兩極的“帽子”起了個文雅的名字——“極冠”，西方英文則是“Martian polar ice cap”，
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跡，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，火星上還會有白云出現，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）
看起來像帽子又像拿鐵上拉花的白色物質到底是什么？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“干冰”，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干冰。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%的二氧化碳干冰和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干冰（圖片來源：Science）
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、塵土飛揚的干燥荒蕪世界，那么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。作為地球“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干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米的干冰層，而火星南極的干冰層厚度約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，極冠范圍就會縮小，而一到冬季，由于氣溫下降，大氣中的二氧化碳開始凝華，極冠范圍隨之變大，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：美國亞利桑那大學部）
不論水冰或是干冰，難道極冠就只有固態“冰”嗎？早在2018年，義大利科學家奧羅塞（R.Orosei）團隊就利用“火星快車號”（Mars Express）軌道器上的雷達數據，發現火星南極極冠下面1.5千米處存在20千米寬的液態水體。而就在2020年9月28日，借助該軌道器上新的雷達數據，義大利行星科學家勞洛（S.E. Lauro）團隊最新發現南極烏爾蒂馬斷崖群（Ultimi Scopuli）下面有3個液態水體，其中最大的水體長約20千米×30千米，這是人類火星探索之旅的重大發現——原來火星上不是肉眼看到的干燥荒蕪！
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里處，包圍著一個約1.8千米厚的圓頂狀沉積物，是水冰和干冰的合物。冰上的空氣在冷卻后比周圍的空氣重，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！
參考文獻：
[1]《火星科學概論》（2015）
[2]R.Orosei et al., Radar evidence of subglacial liquid water on Mars, Science (2018).
[3]Lauro,S.E., Pettinelli,E., Caprarelli, G.et al. Multiple subglacial water bodies below the south pole of Mars unveiled by new MARSIS data. Nature Astronomy (2020).
[4] Mars’ Korolev Crater: A massive reservoir of water ice (astronomy.com/news, Dec 21, 2018)
（本文圖片均由作者提供）
作者單位：大陸科學院月球與深空探測總體部 大陸科學院國家空間科學中心
科學大院是中科院官方科普微平臺，由中科院科學傳播局主辦、大陸科普博覽團隊運營，致力于最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學發聲，
轉載授權、合作、投稿事宜請聯系[email protected]
哇塞..我也想去..
呵呵,真想去南極!