2 去找火星上到水
1996年，時任美國總統克林頓宣布發現疑似火星微生物遺跡的隕石之時，還宣布要在1997年將人類曆史上的第一輛火星車送上火星。NASA沒有讓克林頓失望。1997年7月4日，美國獨立日，火星探路者號成功著陸火星。一輛被命名為“旅居者號”（Sojourner）的小小火星車從著陸器上開了出來，火星的戈壁灘在荒涼了幾十億年後，終於迎來了第一個帶著目的移動的小東西。這次火星任務的主要目的是驗證最新的安全氣囊著陸技術。旅居者號的科考能力非常有限，所以它沒能給我們帶來什麽新發現。然而，人類探索火星的熱情被探路者號的成功著陸推向了**。
“去火星上找到水”成了全世界行星科學家和科學愛好者的最大願望。帶著無數人的期望和NASA的雄心，1998年12月11日，火星氣候探測者號（Mars Climate Orbiter）升空，順利飛向火星。它的目標是在火星的環繞軌道上用遙感技術來尋找火星大氣層和地表的水。22天後，另一個火星探測器火星極地著陸者號（Mars Polar Lander）也成功發射升空，它的目標是登陸火星南極尋找水源。兩個火星探測器同時在太空中飛向目標，這讓NASA從上到下忙得團團轉。但所有人都是既辛苦又興奮，他們對這兩個探測器抱著極大的信心。
火星氣候探測者號經過了286天的長途跋涉，終於要進入火星環繞軌道了。就在這個時候，意外發生了，火星氣候探測者號的信號突然消失了。這個打擊讓NASA的專家們措手不及，一陣忙亂之後，最終也沒能找回信號，火星氣候探測者號消失在了火星的大氣層中。
事故原因的分析報告出來後，NASA局長的鼻子都要被氣歪了，這是一次徹徹底底的人為失誤。我把原因寫出來，估計你都要被氣死。原來，這個探測器的飛行係統軟件使用的是公製單位牛頓（N）來計算的推進器動力，而地麵人員則使用了英製單位磅力（lbf）來設置探測器的方向矯正量，結果導致探測器進入大氣層的高度有誤，最終瓦解碎裂。你可以想象一下，NASA局長看到這份報告時候的表情，這個探測器可花了3億2760萬美元啊，就這樣被一個馬虎的工程師給徹底毀了。我沒有查到那位可憐的工程師最後被怎麽樣了，估計他這一輩子都不會再搞錯單位製式了。這3億多美元的慘痛教訓讓NASA在此後製定了嚴格的單位製式使用規定。
俗話說，福無雙至，禍不單行。兩個多月後，所有人都還沒有走出火星氣候探測者號失敗的陰影，幾乎是同樣的悲劇再度上演。火星極地著陸者號在登陸火星的最後一刻也突然失聯，永遠失去了信號。NASA的領導們神經再堅強，也承受不住這樣的雙重打擊。雖然這次事故的準確原因一直沒有定論，但審查委員會高度懷疑這也是人為的程序漏洞，導致反推引擎提前關閉，探測器從40米的高空直接摔落，脆弱的電子設備瞬間被摔得稀巴爛。
在不到3個月的時間裏，美國人接連失去了兩個火星探測器，七八億美元打了水漂，這讓NASA遭到了空前的指責和壓力。美國民眾紛紛指責宇航局領導不行、管理不行、設計不行，統統都不行。
NASA這次真的是慘到家了，他們從上到下背負著巨大的壓力，忍辱負重，咬著牙為下一次火星探測任務忙活著。轉眼間，新世紀來臨了，人類終於走入了21世紀。2001年來臨的時候，所有的科幻迷都期待著能發生點什麽跟宇航有關的大事。因為這個年份在每一個科幻迷的心中都有著非常特殊的意義。
1968年，好萊塢傳奇導演斯坦利·庫布裏克（Stanley Kubrick, 1928—1999）和科幻三巨頭之一的阿瑟·克拉克（Arthur Charles Clarke, 1917—2008）合作的科幻電影《2001：太空奧德賽》 （2001: A Space Odyssey）(1)正式上映，它成了科幻影史上的經典，所有太空科幻迷心中的《聖經》。在這部電影中，克拉克幻想人類在2001年就可以駕駛載人宇宙飛船飛向木星（Jupiter）。一轉眼，33年過去了，當人類的曆史終於步入2001年，這時候的阿瑟·克拉克已經84歲高齡了。然而令老人失望的是，他所幻想的那個未來並沒有到來，人類的宇航技術並沒有取得突飛猛進的進展，我們擁有的技術隻能向月球以外的行星發射無人探測器。
但是，令老人高興的是，為了紀念他在30多年前寫就的偉大作品，一個火星探測器被命名為“2001火星奧德賽號”（2001 Mars Odyssey）。2001年4月7日，協調世界時(2)15點02分，在著名的美國卡納維拉爾角空軍基地，三角洲2號運載火箭騰空而起，它呼嘯著飛出了地球大氣層，將探測器送上了飛向火星的霍曼轉移軌道(3)，這是從地球到火星的捷徑，隻需要6個月零幾天就能抵達火星。
2001年10月24日，2001火星奧德賽號抵達火星環繞軌道，它開始圍繞著火星兜圈子。通過推進器的氣阻減速，每繞一圈，探測器就會離火星更近一些，就這樣一圈一圈地接近火星。到了2002年1月，氣阻減速終於完成，2001火星奧德賽號抵達預定火星軌道。NASA所有工作人員總算是長舒了一口氣，這個探測器終於成功了。那麽，它能否為我們揭開火星水源之謎呢？
2001火星奧德賽號最大的本事就是從高空拍攝衛星照片，它拍攝了大量的火星地表照片，再次證實了以往的火星探測器的研究成果，火星在曆史上肯定存在過大量的水。因為火星表麵到處都是流水衝刷過的痕跡，有冰川的遺跡，還有幹涸的河床、湖床，甚至是瀑布的痕跡。但這些發現並不能讓科學家們感到滿意，他們想知道的是，現在還有沒有水？
2003年7月，終於有了新發現。
2001火星奧德賽號上攜帶的一個設備，叫伽馬射線光譜儀（GRS），這個儀器有一個本事，它能偵測到中子（neutron）(4)。科學家們要用這個設備來偵測從火星表麵釋放出的中子，期待著這些中子能為我們帶來火星地表下麵的信息。
為了讓你能夠理解火星奧德賽號的重要發現，我必須花點時間給你講解一下火星釋放出中子的原理。實際上，這些中子產生的原因來自太空。看似空無一物的太空，其實一點都不平靜，整個太空中彌漫著來自銀河係之外的高能粒子(5)。雖然極為稀薄，但這種高能粒子的能級非常高，我們也形象地把它們稱為“宇宙射線”。你可以把它們想象成從銀河係之外打過來的微小子彈，它們能跨越數百萬甚至上千萬光年打到我們的太陽係，它們或許來自超新星，或許來自黑洞的噴流以及人類未知的神秘天體。
在地球上，絕大多數來襲的宇宙射線會擊中濃密大氣層中的各種物質，順利抵達地表的數量微乎其微。然而，火星的大氣密度不到地球的1%，所以，相比之下就會有多得多的宇宙射線轟擊到火星的表麵。這些宇宙射線的能級極高，能穿透到火星地表下數米之深，與地表下的岩石和風化層發生相互作用，製造出一種獨特的高能快中子源。
2001火星奧德賽號原本計劃偵測的就是這種從火星地表下數米深處放出的快中子。2001火星奧德賽號確實偵測到了從地表射出的中子，但令人沒有想到的是，其中竟然還含有大量的慢中子。所謂的快中子、慢中子，指的就是這些中子的運動速度。我們打個比方，來自宇宙中的子彈擊中岩石後，會濺射出高速運動的碎片。如果我們偵測到了高速運動的碎片，說明理論沒錯，但如果偵測到了運動速度慢很多的碎片，就必須有個合理的解釋。
我們先來說一下快中子是如何變成慢中子的。核反應堆能穩定地製造快中子，控製中子流的速度快慢可以通過調節核反應堆的能量輸出大小。要達到這個目的，在核反應堆中需要使用慢化劑，原理很簡單，就是讓快中子反複撞擊慢化劑中的原子，從而減速。在核反應堆中最常用的慢化劑有兩種，就是石墨（C）和重水（D2O），真正起作用的是碳原子和氘（D2，讀dāo）原子，氘原子是氫原子的一種同位素（Isotope）(6)。實際上，普通的水也能起到慢化劑的作用，隻是效果沒有重水好。
現在，2001火星奧德賽號偵測到了從火星表麵逸出的慢速中子流。這就意味著，在火星地表下一到兩米深的地方必然大量存在某種起到慢化劑作用的物質。那麽，什麽物質既能夠大量存在，又能夠起到慢化劑的作用呢？最容易想到的候選物質有兩種。第一種就是幹冰，這是被凍成固態的二氧化碳（CO2），含有大量的碳原子，可以作為慢化劑。但是，考慮到幹冰穩定存在需要極低的溫度，因此，隻有在火星兩極這樣的嚴寒地區才可能允許幹冰大麵積存在。在非兩極地區，晝夜溫差很大，太陽一曬，幹冰就揮發了。看來，是幹冰的可能性不大。
另一種就是水。當然，限於火星的表麵溫度，水應該被凍成了冰。水中含有大量的氫原子，可以起到慢化劑的作用。如果這個猜想成立，那麽結論就非常驚人了。這說明在火星表麵之下，可能存在著一個遍布全行星的固態水庫。科學家們做了進一步的計算，假如真的是水在充當慢化劑，那麽這些水大約占到了火星表麵下數米深度以內總物質質量的14%，而這些冰如果全部融化，足以在火星表麵形成一個覆蓋全球的14厘米深的海洋！
越是驚人的結論就越是需要驚人的證據，僅僅依靠慢中子流這一項證據顯然是不夠的，不足以說服科學家們相信這麽驚人的結論。但遺憾的是，2001火星奧德賽號的能力也就僅限於此了，它畢竟是一個軌道環繞器，沒辦法親自到火星上去刨一個坑看看裏麵有沒有水冰。你看到這裏可能以為我是在隨手寫一句俏皮話，幽默一下。其實不然，要證實2001火星奧德賽號的發現，我們真的需要一個會刨坑的火星探測器。也正是2001火星奧德賽號的這個發現，讓NASA下定決心製造一台會刨坑的火星著陸器，看看火星的泥土之下到底有沒有水冰。
這就是2008年5月25日在火星北極成功著陸的鳳凰號（Phoenix）火星探測器，它將給全世界的火星迷帶來一個大大的驚喜。鳳凰號的外形就像一隻張開翅膀的大鳥，它有一根帶鏟子的機械臂，可以把火星上的土壤鏟到一個叫作TEGA的分析儀器中，這也是鳳凰號攜帶的最重要的儀器，中文全稱是：熱與蒸發氣體分析儀。就在鳳凰號開始工作的二十多天後，大事件發生了。
2008年6月19日，NASA公布了兩張重磅照片，一時間轟動了全世界。第一張照片是鳳凰號在第20個火星日拍攝的，照片上是鳳凰號的鏟子在火星地表土壤中挖出的一個溝槽，很淺，最多也就十幾厘米深。NASA的科學家很有意思，他們還給這個溝槽起了個名字——渡渡鳥-金鳳花，以此來紀念火星上的第一個人造溝槽。在這個溝槽中，我們可以非常明顯地看到一些白色的物質。第二張照片依然是這個溝槽，但時間是第24個火星日，那些白色物質的麵積明顯縮小了。首先，這些白色物質不可能是幹冰，因為鳳凰號所在區域的地表溫度是-90℃至-20℃，遠高於幹冰需要的-120℃的低溫。你想想，在零下幾十攝氏度的溫度下，白色、會揮發，除了水冰，實在想不到其他東西能解釋了。因此，這兩張照片一公布，立即轟動了全世界。我第一次看到這兩張照片時，想象著這可是在距離地球幾億千米的外星球啊，太令人神往了。
鳳凰號隻是隨便這麽淺淺地一鏟子下去，就挖出了這麽大一塊冰，這說明火星的土壤中確實如2001火星奧德賽號預言的那樣，含有極其巨量的冰。不過，僅僅憑這兩張照片，還不能說是掌握了確鑿的證據，真正讓人無法反駁的證據是實實在在的化學數據分析。鳳凰號有這個能力，它可以把鏟出來的土倒入TEGA中進行加熱再分析成分。
這份土壤樣本的分析數據是這樣的：在加熱到0℃時，檢測到了水蒸氣。這就是火星水冰的實錘證據，鐵證如山了。你可能會奇怪，0℃時難道不應該是冰融化成水嗎？在地球上是這樣。但是在火星上，大氣壓還不到地球的1%，氣壓越低，水的沸點就越低。所以，火星上的冰直接就從固態加熱成氣態了。
2008年7月31日，NASA召開了新聞發布會，宣布了鳳凰號的重大發現。來自亞利桑那大學的TEGA首席科學家威廉·博因頓（William Boynton）非常幽默地說：“嗯，宣布這個消息我很開心，我們已經把一塊冰的樣本放入了TEGA。昨天我們發現成功了，真是大喜過望啊，大家紛紛開香檳慶祝。我們等待這一時刻已經很久了。當然，眾所周知，奧德賽號的伽馬射線光譜儀6年前就發現了這塊冰，但現在我們終於摸到它，還嚐了一口，在這之前可沒人做到。我要聲明啊，從我的角度來說，這味道真不賴。我很高興有機會參與整個過程。”
6年前，2001火星奧德賽號非同尋常的預言終於有了非同尋常的證據，鳳凰號的研究成果也發表在了當年的《科學》雜誌上。自從鳳凰號證實了火星地表下的那些白色物質確實是水冰後，我們就能通過火星上空的軌道衛星發現更多的證據互相印證。例如，火星每年都會受到小隕石撞擊，在拍攝到的新隕石坑的照片中總能發現亮晶晶的白色物質，幾天或者幾周後它們就會消失，這些都是貨真價實的水冰。
火星上水冰的儲量很大，在電影《火星救援》 （The Martian）裏，男主角費盡心思冒著爆炸的風險燃燒氫氣來生成水，那也許是為了電影的劇情需要。但未來的火星基地理應建立在富含地下冰的區域，這樣一來，需要水時隻要到外麵去挖冰就可以了，一鏟子下去就能挖到大塊大塊的冰。就算挖不到大塊的冰，直接加熱火星的土壤也能得到水。
通過軌道衛星對火星全球的遙感分析(7)，我們發現在火星極地幹冰蓋的下麵，也儲藏著大量的水冰。現在，科學家們相信，整個火星的水儲量足以用30米的深度覆蓋整個星球。在遠古時代，火星曾經擁有深達500米的海洋。
然而，證實火星上存在水冰不但沒有滿足我們對火星的好奇心，反而更加激發了我們對火星的好奇心。我們迫切地想知道：火星上有沒有可能存在液態水呢？
2015年9月28日，NASA宣布在火星上發現了流動的液態水的確鑿證據。
NASA公布的證據是：通過火星探測軌道器上的成像光譜儀，研究人員在火星山坡表麵找到了水化(8)礦物的痕跡，從這些斜坡表麵能看到一些神秘的條狀紋路。在溫度比較高的時候，這些條狀紋路的顏色會變深，似乎是隨著陡峭的山坡往下流；在溫度較低的時候，這些條狀紋路的顏色會變淺(9)。溫度超過-23℃時，它們會出現在火星上的不同位置，而溫度更低時，它們就消失了。含水的鹽會降低鹽水的冰點，就像在地球上，我們往道路上撒鹽，冰雪會融化得更快。科學家們表示，這可能是因為淺層的地下水在流動，隻有足夠的水慢慢流向表麵才能解釋條紋的變深。他們所說的水指的是高濃度的鹽水。
講到這裏，我們可以為火星上的水之謎結案了，結論就是：火星上擁有非常豐富的水資源，液態、固態和氣態三種形態的水在火星上都存在，未來的火星殖民者不必為水發愁。
鳳凰號僅僅是拉開了對火星實地考察的序幕，5年後，火星將再次迎來一位重量級的地球來客，而它將帶來一些令科學家們備感錯愕和浮想聯翩的新發現。它是誰？它的新發現是什麽？請看下一章。
(1)又名《2001：太空漫遊》。
(2)協調世界時（Coordinated Universal Time）：又稱世界統一時間、世界標準時間、國際協調時間，簡稱UTC。協調世界時是以原子時（IAT）秒長為基礎，在時刻上盡量接近於世界時（UT）的一種時間計量係統。原子時是以物質的原子內部發射的電磁振**頻率為基準的時間計量係統。世界時即格林尼治平太陽時間，是指格林尼治所在地的標準時間。
(3)霍曼轉移軌道（Hohmann Transfer Orbit）：一種變換太空船軌道的方法，通過充分利用星體引力產生的能量，航天器可以實現在不同軌道的轉移，途中隻需兩次引擎推進，相對節省燃料，由德國物理學家瓦爾特·霍曼（Walter Hohmann, 1880—1945）提出。
(4)中子：組成原子核的核子之一，是組成原子核構成化學元素不可缺少的成分，但是氕（H，讀piē）原子不含中子。
(5)高能粒子（high-energy particle）：指幾十吉電子伏以上的粒子，包括電子、質子、介子、中子等，是研究物質結構最有用的工具之一。
(6)同位素：具有相同質子數、不同中子數的同一元素的不同核素。
(7)遙感分析（remote sensing analysis）：指運用遙感技術對地表進行探索並從中提取有用信息的現代地理學研究方法。遙感技術是從不同高度的平台，使用傳感器收集地物的電磁波信息，再將這些信息傳輸到地麵並加以處理，從而達到對地物的識別與檢測的全過程。
(8)水化（hydration）：物質與水發生化合叫水化作用，又稱水合作用，一般指分子或離子的水合作用。
(9)NASA Confirms Evidence That Liquid Flows on Today’s Mars, nasa.com, Sept. 28, 2015.