分层,而不是液体:天文学家解释火星的水反射

这张来自美国宇航局火星勘测轨道器的图像显示了火星南极层状沉积物的边缘。 极地太阳的光线突出了精细分层的堆叠。 图片来源:NASA、JPL-Caltech、亚利桑那大学/提供

火星上的许多地方都有水,包括大部分两极冰盖——都是冰冻的。

但最近,欧洲航天局的火星快车轨道器在火星南极层状沉积物 (SPLD) 的表面下检测到了明亮的反射,这是一个 1.4 公里厚的相对纯净的水冰形成。 一些科学家将 MARSIS(用于地下和电离层探测的火星高级雷达)仪器收集的观测结果解释为液态水的证据。

艺术与科学学院 (A&S) 康奈尔大学天体物理学和行星科学中心的研究员 Dan Lalich 表示,虽然这种可能性令人兴奋,但他和康奈尔大学的其他研究人员认为,强烈的反射不一定证明 SPLD 包含液态水。

他们提出了另一种解释,他们在 9 月 26 日发表在《自然天文学》上的“在没有液态水的情况下解释火星南极下方的明亮雷达反射”中对此进行了详细说明。

通过计算机模拟,他们证明了类似的强反射可以通过地质层之间的干扰产生,而无需液态水或其他稀有材料。

“这一结果与最近的其他工作相结合,对在 SPLD 以下发现液态水的可能性提出了质疑,”研究小组写道,其中包括天文学副教授、CCAPS 主任、航天器行星图像设施主任亚历山大海耶斯和 Louis Salvatore ’92 学院领导研究员; 和 CCAPS 研究助理 Valerio Poggiali。

“在地球上,明亮的反射通常预示着液态水,甚至像沃斯托克湖这样被掩埋的湖泊 [under the surface of the East Antarctic Ice Sheet]” Lalich 说。“但在火星上,普遍的观点是它应该太冷而无法形成类似的湖泊。

但事实仍然存在,Lalich 说,明亮的反射存在并且需要解释。

Lalich 使用雷达数据研究行星表面,他对火星最近的气候演变特别感兴趣。 他最近专注于模拟火星极冠的雷达反射,使他能够很好地调查地球上液态水的主张。

Lalich 使用了一种通常用于解释 MARSIS 观测结果的一维建模程序。 他创建了由四种材料(大气、水冰、二氧化碳 (CO2) 冰和玄武岩)组成的层的模拟,并为每一层分配了相应的介电常数,这是一种材料的固有特性,描述了它与穿过它的电磁辐射的相互作用。

使用三层模拟——两个二氧化碳层,由一层尘埃冰隔开——产生的反射与实际观察结果一样明亮。

“我使用嵌入水冰中的二氧化碳层,因为我们知道它已经大量存在于冰盖表面附近,”拉里奇说。 “不过,原则上,我可以使用岩石层,甚至是尘土飞扬的水冰,我会得到类似的结果。这篇论文的重点是,基底层的组成不如层厚和分离重要。 “

从模型中,研究人员确定层的厚度和它们之间的距离对反射能力的影响比层的组成更大。 研究人员写道,虽然论文中没有单一的简化地层学可以解释每一个观察结果,但“我们已经证明,在没有液态水的情况下也可以产生明亮的反射。”

2021 年,Lalich 参与的一项研究发现,在适当的条件下,火星上常见的一类称为绿土的矿物可以产生类似于从 MARSIS 观察到的反射。

拉里奇说,弄清楚火星上什么不是液态水很重要,因为赌注如此之高。 “如果有液态水,”他说,“也许有生命,或者我们可以将它用于未来的人类火星任务。”

液态水也可能对极冠的年龄、火星的内部加热以及地球气候在最近地质学上的演变产生重要影响——拉里奇并不完全排除这种可能性。

“我们所做的任何工作都没有证明那里可能存在液态水,”拉里奇说。 “我们只是认为干扰假设与其他观察结果更一致。我不确定任何缺乏演习的事情都可以证明这场辩论的任何一方绝对正确或错误。”