科学争论激烈：火星南极下有水吗？

现在火星上没有地表水，但很久以前就有了。如果你问大多数对火星感兴趣的人，它的剩余部分是地下的，而且很可能是冰冻的。

但之前的一些证据表明，在地球的南极层状沉积物 (SPLD) 下有一个液态水湖。其他证据反驳了它。发生什么了？

科学，就是这样。

火星南极帽下有湖吗？同时发布的两项新研究解决了这个问题，每一项都得出了不同的答案。一确认液湖；另一个反驳它。人们对此有何看法？

看起来科学家们不知道他们在做什么，但事实恰恰相反。这种来回是实时进行的科学方法。

我们习惯于简单的是或否的答案，但事实并非如此。我们都知道地球是圆的，对吧？但并不总是这样。每个人都有相同的证据，但是在人们确定地球是一个球体之前，需要进行大量的讨论和争论。甚至这也不完全正确：地球是一个扁球体。

事情并不总是直截了当的，大自然隐藏了真相。

“我真的很想知道 SPLD 下是否存在盐水，但不确定性决定了这一天！”David Stillman 博士，西南研究院地球物理学家。

火星地下湖周围的问题令人烦恼，因为我们不能去那里看看。我们必须依靠具有遥感功能的轨道器来收集证据。并且必须解释这些数据。解释是棘手的地方。

2018 年，来自欧空局火星快车航天器的雷达数据暗示火星南极附近冰层下方有一个地下湖。一组意大利研究人员在《科学》杂志上报道了这一发现。数据显示了一个 20 公里（12.5 英里）长的反射地下区域，科学家们得出结论，它是水，或者更准确地说，是盐水。

欧空局火星快车收集的雷达数据指向火星南极地区冰层和尘埃层下掩埋的液态水池。

据称，这个湖被埋在地表以下约 1.5 公里处，而且它是咸水，使其能够抵抗冰冻。它类似于在加拿大北部发现的湖泊，美国宇航局此前在火星上发现了可以防止湖泊结冰的必要盐分。所以有理由相信这些发现是合理的。

这一发现引发了一些怀疑。美国宇航局喷气推进实验室的行星科学家杰弗里普劳特说：“这还不是一个灌篮高手。” 有人呼吁提供更多支持性证据。

然后在 2020 年，另一项研究证实了该湖的存在，并发现了更多的湖泊。或者他们解释为湖泊的东西。它们是更多被掩埋的反射面。这项研究引起了更多的兴奋，不仅仅是因为有湖泊，还因为它们，或者火星上的类似东西，可能支持简单的生活。

然后2021 年的一项研究表明，反射表面可能是粘土。科学的来回进行得如火如荼。现在问题在哪里？

仅相隔几天发布的两项新研究得出了不同的结论。他们中的某个人会圆满解决这个问题吗？

发表在《地球与行星科学快报》杂志上的一封新研究信称，2018 年最初在火星南极下发现的液态水可能仍然是正确的。它的标题是“评估粘土和盐对 MARSIS 基底亮反射起源的作用。” 第一作者是罗马特雷大学数学与物理系的 Elisabetta Mattei。Mattei 和合著者也是 2018 年原始论文的作者，该论文展示了火星南极地区存在液态水。这封信是对其他已发表的调查结果的科学回应，反对他们最初发现地下湖。

问题归结为火星快车轨道器上的仪器检测到的反射率。该设备是MARSIS（用于地下和电离层探测的火星高级雷达）。它测量火星的地下成分并寻找冰冻的水。简而言之，液态水和冷冻水返回不同的信号；液态水比冷冻水更具反射性。

火星上空的火星快车轨道器的艺术家插图。

MARSIS 数据是 2018 年宣布存在地下液态水的论文的基础。这也是论文对测量的反射率做出不同解释的基础。数据毫无疑问，只是围绕数据的解释和其他科学调查。

研究得出的结论是没有液态水，这表明其他因素会导致反射率。

Nathaniel Putzig 是行星科学研究所的资深科学家。Putzig 是一篇论文的作者之一，该论文对 MARSIS 数据中的反射率进行了其他解释。Putzig 在新闻稿中说：“没有必要在极冠底部调用液态水来解释 MARSIS 观测的结果。替代品包括粘土、一些金属矿物和咸冰。”

但新的研究信不同意。作者承认 MARSIS 信号的反解释，但他们提供了反反解释。他们不把粘土、金属矿物和咸冰作为解释。“结合之前公布的数据、模拟和新的实验室测量，我们证明这些材料的介电特性在 MARSIS 频率和火星温度下不会产生强烈的基底反射，”他们写道。“只有盐水才能在低 基础温度下产生如此高的介电对比度，”他们补充道。

支持水的新研究信部分基于西南研究所 (SwRI) 科学家所做的实验室实验。新研究信函的合著者、地球物理学家大卫斯蒂尔曼在低温下对冰盐水混合物进行了实验室实验.

“液态水湖实际上存在于北极和南极地区的冰川下，因此我们有地球类似物来寻找冰下的液态水，”斯蒂尔曼说，他是探测行星体上任何形式——液态、冰或吸收——的水的专家。 . “我们知道火星上存在的奇异盐具有惊人的‘防冻’特性，使盐水在低至 -103 华氏度的温度下仍保持液态。我们在实验室研究了这些盐类，以了解它们对雷达的反应。”

“研究表明，我们不必有高氯酸盐和氯化盐水湖，但这些盐水可能存在于冰粒或沉积物之间，足以表现出强烈的介电响应。这类似于海水如何浸透海岸线上的沙粒，或者调味料如何渗透到雪泥中，但在-103 华氏度下，火星南极附近一英里的冰层以下，”斯蒂尔曼说。

温度是这个问题的一个关键因素。我们不知道火星表面以下一公里半的温度是多少。它对于液态水来说太低了，但如果水是咸的，它可以在较低的温度下保持液态。温度还会影响不同材料的介电常数和 MARSIS 收集的数据。

研究中的这个数字显示了温度对火星上不同粘土的介电常数的影响。

这篇论文详细研究了火星上不同类型的粘土，以及它们在不同温度下的 MARSIS 数据中的差异。作者写道：“温度对粘土和粘土沉积物的介电特性有主要影响。” “我们对不同含水量、粘土含量和不同矿物学的粘土沉积物进行的一组测量证实了温度对粘土介电行为的巨大影响。非常低的温度，例如通常在 SPLD 底部推断的温度（~200 K），与粘土沉积物可以与 SPLD 产生足够大的介电对比度以获得明亮的基础回波的假设完全不一致。”

“我们在火星冰下条件下对 Mg(ClO4)2 和 CaCl2 盐水的介电测量也排除了咸冰是 MARSIS 明亮反射的原因，”他们在论文的结论中写道。

在一些实验室实验中，斯蒂尔曼博士将粘土样品置于极低的温度下。“例如，100 mM Mg(ClO4)2（高氯酸镁）样品在 193 K 温度下保持 72 小时，并且在温度降至 188 K 之前从未完全冻结，”该论文说。

Stillman 博士在《今日宇宙》中谈到了温度问题。

“SPLD 背后的温度至关重要。我们对这种温度的了解很差，”斯蒂尔曼说。“我们引用的 论文是假设 SPLD 是一块几乎纯冰的下限假设。它可能不是一片冰，而是要复杂得多。”

科学家们也不知道 SPLD 的导电性如何，这会影响温度的不确定性。

来自 SwRI 的 Stillman 博士研究了火星上存在的外来盐的防冻特性，这可以使盐水在 -103 华氏度下保持液态。研究表明，在火星南极帽下方一英里处，冰粒或沉积物之间的盐水如何产生由欧空局火星快车轨道器上的雷达仪器检测到的强烈反射。

那么火星南极下方有湖泊吗？我们还不知道。如果那里有什么东西，它可能比湖泊还泥泞，它可能不像地球上的埋藏湖泊。

这种来回显示了科学方法的力量。没有人说数据是错误的；他们只是在研究证据并得出不同的结论。

“这就是科学方法的运作方式。看到在一周内发表的论文得出截然不同的结论，这令人沮丧，”斯蒂尔曼说。（斯蒂尔曼博士指的是德克萨斯大学地球物理研究所的行星科学家西里尔·格里马（Cyril Grima）领导的一篇论文。《今日宇宙》将在另一篇文章中介绍该论文。）

COVID也发挥了作用。在更正常的时期，科学家们会在会议上讨论此类问题，并分享想法和探究路线。虽然会议上的面对面讨论并不能保证达成共识，但它们是科学过程的一部分。

斯蒂尔曼说：“我认为其中一些原因是由于 COVID 导致缺乏面对面的会议，科学团体的互动要少得多。” “这也正在发生，因为不同的科学团体做出了不同的假设，”斯蒂尔曼说，他指的是对地下温度的估计。

“老实说，我不知道哪些假设是正确的，因为我们正在研究一个如此遥远的行星，但数据非常有限。”

这种讨论将持续一段时间，在达成广泛共识之前，我们需要更好的数据。对于研究人员和我们其他对火星、水、可居住性以及与火星水一起使用霰弹枪的问题感兴趣的人来说，这令人沮丧。

但这也是对按预期发挥作用的科学方法的迷人看法。

“我真的很想知道 SPLD 以下是否存在盐水，但不确定性决定了这一天！我仍然认为部分饱和的盐水是最正确的答案，但我不能肯定，”斯蒂尔曼说。“我期待在文献和面对面的会议上对此进行辩论。我的意思是，这就是让科学变得有趣的原因！”