說起地球的南極和北極，大家的腦海中立刻就會浮現(xiàn)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)
初見火星兩極
17世紀末，荷蘭天文學(xué)家惠更斯利用自己設(shè)計的精密望遠鏡，首次發(fā)現(xiàn)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(dāng)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(fā)現(xiàn)，地球和火星都戴著白色帽子。帽子，在古代也稱為“冠”。我們中國人給火星兩極的“帽子”起了個文雅的名字——“極冠”，西方英文則是“Martian polar ice cap”。
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(zhì)所覆蓋，白色物質(zhì)與紅棕色地區(qū)有鮮明的對比，還可以觀測到強風(fēng)和暴風(fēng)雨的痕跡。這樣的場景，讓我們不禁聯(lián)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(xiàn)，遮掩火星表面的地質(zhì)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(zhì)
看起來像帽子又像拿鐵上拉花的白色物質(zhì)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(xué)家斯托尼就曾設(shè)想白色物質(zhì)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(xué)家柯伊伯使用分光技術(shù)觀測，推測白色物質(zhì)是水冰而不是干冰。受當(dāng)時科學(xué)技術(shù)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(xué)假想的證據(jù)回應(yīng)。
極冠含有水冰和二氧化碳干冰(圖片來源：Science)
隨季節(jié)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(qū)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(jīng)驗，看到白雪皚皚、冰天雪地的冰凍世界第一感受當(dāng)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(zhì)永久存在。
火星極冠會不會隨季節(jié)而變化?早在20多年前，人類就已經(jīng)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(fā)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(fā)。這就導(dǎo)致火星極冠每年都會發(fā)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(jié)往返于極冠與大氣之間，構(gòu)成了現(xiàn)今火星氣候重要的一環(huán)。
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(xué))
極冠不僅蘊含液態(tài)水湖，還有隕石坑冰湖
不論水冰或是干冰，難道極冠就只有固態(tài)“冰”嗎?早在2018年，意大利科學(xué)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(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)火星南極極冠下面1.5千米處存在20千米寬的液態(tài)水體。而就在2020年9月28日，借助該軌道器上新的雷達數(shù)據(jù)，意大利行星科學(xué)家勞洛(S.E. Lauro)團隊最新發(fā)現(xiàn)南極烏爾蒂馬斷崖群(Ultimi Scopuli)下面有3個液態(tài)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(fā)現(xiàn)——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(tài)水體外，在火星北極地區(qū)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(nèi)的“冰”永久穩(wěn)定存在。由于空氣是熱的不良導(dǎo)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(shù)字地形模型和“火星快車號”探測數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)!