2018年1月12日，Dundas C M等在《Science》文章称，科学家在火星上探测到8条发生侵蚀的断崖，从中发现了巨量的水冰资源^[1]。这些水冰的纯度非常高，冰层厚度从地下1~2 m深处，一直延伸到地下100多米不等。由于断崖上的水冰长期暴露在大气中，因此正在慢慢升华，进而导致断崖不断收缩。

火星上有水早已不是新闻。人类已经开展了40多次火星探测，获得了大量与水有关的发现，包括：冲沟、三角洲、冲积扇等流水作用的遗迹（图 1）；被水浸泡过的岩石；火星快车发现了火星上的海岸线；好奇号发现了含有粘土矿物的沉积岩层，还发现了水流冲击形成的鹅卵石。这些发现证实，火星上曾经有过大规模的水。

图 1

这些冲沟宽1~10 m，与流水作用有关。该图片为火星勘测轨道飞行器于2011年1月14日拍摄 图 1 火星海拉斯盆地中发育的冲沟 Fig. 1 Gullies developed in the Hellas basin on the Mars （图片来源：REUTERS/NASA/JPL-Caltech/Univ.of Arizona/Handout）

但是，火星上的水究竟储藏在什么地方，储量有多少，特别是地下冰层一直没有得到确认。2008年，凤凰号着陆器在火星68°N附近，挖到了高纯度的水冰，但凤凰号的着陆点位于较高纬度，温度较低，发现水冰属于意料之中^[2]。接下来，科学家希望知道，在比这更低纬度的中纬度地区，是否也有水冰。2009年，科学家终于在40°N~55°N的新鲜撞击坑周围，发现了含有水冰的溅射物^[3]。2015年，Lujendra Ojha等发现，在火星表面的某些特定位置，可能至今仍有液态水^[4]。发现液态水的区域，位于火星上的“季节性坡纹”，即山坡上的纹路随季节更替而出现显著变化的地方。当气温上升时，季节性坡纹开始形成并发育壮大；而当气温下降、天气寒冷时，这些坡纹又会消失不见。

此次利用火星勘察轨道器（MRO）探测到的数据，在8条断崖上，分析出了地下冰层的垂直剖面结构，包括分层情况、厚度以及水冰的纯度。火星勘察轨道器上，搭载了一台高分辨率成像科学实验相机（HiRISE），配备0.5 m孔径镜头，是有史以来最强悍深空探测成像设备，最高分辨率可达到每像素0.3 m，相当于可观测到篮球大小的物体。HiRISE拍摄的高分辨率图像显示，这些地下冰层均位于面向极地、非常陡峭、具有水流侵蚀地特征的断崖上（图 2^[1]）。其中，断崖1~7位于55°S~58°S，断崖8位于54.8°N的Milankovič（米兰科维奇）火山口的断崖群。

图 2

（a）断崖1，（b）断崖2，断崖恰好位于山坡与凹陷地形之间，因此而暴露出冰层的位置（图中小白框所在位置），图上方为山脉，光从左侧射入 图 2 HiRISE拍摄的火星地下冰层高分辨率图像 Fig. 2 Pits with scarps exposing ice captured by the High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE

在增强后的HiRISE彩色图像（图 3^[1]）中，相对周围地形，每条断崖的颜色都偏蓝，与冰层的表现一致，表明断崖上暴露的物质中含有水冰。

图 3

（a）~（e）断崖1~5，坡向指向崖底，均为自上而下；（f）米兰科维奇火山口，坡向指向崖顶；图中，箭头所指蓝色物质的位置非常接近地表；在这几条断崖中，可以看到明显的带状和层状分布特征；断崖5显示出了鲜明的颜色变化，且有多条纵向的细小裂缝，将冰层分割开来。 图 3 断崖冰层在春末或夏初的彩色横截面 Fig. 3 Enhanced-color transverse sections of icy scarps in late spring/early summer

为了进一步确证地下冰层，除了图像所能显示的特征之外，还需要确认断崖中的层状物质是否是水冰。火星勘察轨道器上还搭载了一台紧凑型火星勘测成像光谱仪（CRISM），主要用于探测和识别火星表面矿物类型。CRISM的光谱范围从可见光波段（400~830 nm）到近红外波段（830~4050 nm），空间分辨率为每像元15.7~19.7 m。利用CRISM探测数据，为确证地下冰层提供了数据支持。光谱特征表明，断崖1~3在夏季的光谱数据均表现出水冰吸收的特征（图 4^[1]）。

图 4

谱线从上至下分别为断崖的2、3和1以及地球实验室测量的水冰光谱。垂直虚线的位置表示水冰的吸收特征中心；波长1.65 μm附近的尖峰由于仪器的影响导致。相对反射率的差异，可能由于不同区域冰层中晶粒尺寸的不同或光谱仪测量误差导致 图 4 CRISM获取的断崖1~3的地下冰层光谱图 Fig. 1 CRISM (The Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) spectra of 1~3 icy scarps

根据断崖位置的光谱数据，表明这些地区暴露的蓝色物质是冰层，而非持续性的季节性霜冻。

原因在于，首先，在所有HiRISE图像中，地下冰层位置的颜色与断崖周围地区截然不同。在高纬度地区面向极地的陡峭坡面，存在一些季节性霜冻，但地下冰层位置的颜色，与季节性霜冻升华之后的观测图像，具有明显差异。其次，根据火星奥德赛号轨道器上的热辐射成像系统（THEMIS）的观测，断崖位置在傍晚的温度高于大气的冰点温度，可以排除断崖上的物质是大气挥发物沉降形成的。最后，在断崖下的凹陷地形中，并没有出现蓝色物质，说明这些蓝色物质并不是由于当地地形而形成的霜。

在断崖2，科学家对比了同一地点相隔3个火星年的图像后发现：大小约为1 m的石块，其位置发生了显著变化，这是断崖退缩的有力证据（图 5^[1]）。由于这些石块起源于冰层上的凸出表面，在坠落后并没有消失，因此，它们必定是嵌入到冰层中的岩石，而不是从陡峭岩石中脱落出来的碎片，也不像之前从撞击坑中溅射出来的冰块。这说明，石块位置的变动，是由于水冰升华所引起地形变化导致的。据估算，断崖上的地下冰层在每个夏季的退缩率约为几毫米。

图 5

（a）中白色箭头是指该位置的颜色比其他区域更深；（b）、（c）为（a）白色方块区域的放大图，分别为同一位置相隔3个火星年前后的图像，石块从（b）中箭头的位置跌落到（c）中的位置；（b）中从左到右白色箭头指示位置处的石块，分别滚落到图（c）中从左到右白色箭头指示位置 图 5 富含水冰的断崖上石块的位置变化 Fig. 5 Blocks falling from an ice-rich scarp

综合上述特征进一步推测，这些断崖是地下冰层的起伏。虽然现在火星的自转轴倾角和地球差不多，但是资料显示：在其他行星的引力作用下，火星的自转轴倾角变化不定，最高可达60°以上，最低甚至低于10°（相比之下，由于月球的稳定引力作用，地球的倾斜角似乎只有微小的变化）^[5]。这些地下冰层形成于火星高倾角时期的降雪和霜冻，随后被压缩和再结晶，并埋藏于地下。这一观点与断崖主体的高含冰量和外观特征一致。

在火星地下1~2 m的深度，就可找到纯度非常高的水冰，厚度至少可达数十米。火星上发现的这些地下冰层保存良好，不仅记录了火星过去的演化历史，也为人类登陆火星提供了基本的生命支撑物质。

火星上被侵蚀的断崖地层结构（图 6），揭示了中纬度地区距今最近的、富含冰层的垂直地质结构。断崖上的冰层可能起源于火星高倾角时期的降雪，后来经过一系列的地质过程，转变为如今的地下冰层。这些冰层最终保存在南北纬55°以上的表面风化层之下，或地下1~2 m处冷冻干燥的尘土之下。下一步，利用浅层穿透雷达进行探测，可以推测这些冰层的垂直结构。

图 6

图 6 火星上被侵蚀的断崖地层结构 Fig. 6 Conceptual stratigraphy of the materials exposed in the scarps

火星断崖上发现的这些地下冰层，是在相当长的地质时期内沉积起来的，记录了过去的火星气候变化和水冰沉积的历史。之前的火星探测任务已经证明，火星曾经有过大规模的液态水，有过比现在更为温暖湿润的气候，这说明火星历史上曾经有比现在浓厚得多的二氧化碳大气层，这样才能实现火星表面有大规模液态水所要求的温室效应。但是，火星大气中巨量的二氧化碳来自哪里，后来又到哪里去了？火星上大规模的液态水又源自何处，消失后的液态水又去哪儿了？这些疑问，都要从地下冰层等历史沉积物中寻找蛛丝马迹。而探索火星气候演化规律的努力，也将为了解地球气候变化提供参考。

在太阳系内，火星是人类了解最为透彻的行星，也是唯一有可能实现大规模移民的星球。根据航天科技的发展现状和各国规划，预计2030年左右，人类将实现载人登陆火星的梦想。之后，将朝着建设火星基地、改造火星、移民火星的路径逐步前行。火箭重复利用技术已经突破，新一代重型运载火箭、新一代载人飞船已经研制多年，即将成功，这些努力将使“开辟从地球到火星的廉价航线”成为可能。人类登陆火星时，将选择在离水源较近的“宜居带”，挖掘地下浅层的水冰，对它进行净化等简单处理后，变成可以直接利用的水资源。这些水源，使就地烧砖、生产辐射防护材料等火星资源原位利用成为可能，使在火星上生产食物、氧气等生命支撑物质变得更容易，从而大大降低建设火星基地的技术难度和经费代价。在中国，北京航空航天大学开展的“月宫一号”已经开展多轮试验，闭合度达到了97%，100%的氧气和水、55%的食物实现了循环再生^[6]，为中国参与国际合作将来实现载人登月和登陆火星奠定基础。

人类希望移民火星（图 7），并不是因为火星比地球更美好，而是因为地球上的生命曾经多次大灭绝，人类未来也将面临许多重大天文灾难。移民火星，是人类为了在太阳系中永续生存所必需付出的努力。

图 7

图 7 地球（左）与火星（右）的 Fig. 7 Earth(left) and Mars(right)