□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 程思淼

冰現(xiàn)水星

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 程思淼

圖片來源APOD。

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）百人計(jì)劃學(xué)者。

水星上有冰？這怎么可能？

最近，一艘環(huán)繞水星的探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了其表面有冰存在的證據(jù)。這些水冰就是我們?cè)诘厍蛏峡吹降哪欠N，只不過可能被一些沙塵顆粒所污染，或者表面覆蓋了一層薄薄的臟東西。在這樣一顆極為熾熱的行星上竟然有冰，似乎不太可能。不過既然確實(shí)發(fā)現(xiàn)了證據(jù)，就說明至少在它表面的某些地方，是長(zhǎng)年酷寒的。

與地球不同，水星的表面沒有大氣層。地球表面的大氣通過環(huán)流，可以把熱量從溫度高的地方帶到溫度低的地方，但在水星上不可能發(fā)生這樣的事。在水星表面的某個(gè)地方，只有當(dāng)它被陽(yáng)光直接照到的時(shí)候，才會(huì)變得暖和起來。當(dāng)然，某個(gè)地區(qū)被加熱后，通過表面巖石的熱傳導(dǎo)，周圍的地區(qū)也會(huì)接收到一點(diǎn)熱量，但是非常少。

水星上沒有大氣，這同時(shí)也造成了水星表面巨大的溫差。水星表面處于白晝的地方，溫度可高達(dá)470攝氏度。而處于夜晚的地區(qū)，由于沒有大氣阻止熱量的散失，表面溫度可以驟降到零下70攝氏度。由于自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)平面幾乎垂直，在水星南北極附近，陽(yáng)光幾乎永遠(yuǎn)是從地平線上射來的。因此，一些環(huán)形山高聳的環(huán)壁，就可能擋住強(qiáng)烈的陽(yáng)光，在環(huán)形山底部形成永久的陰影區(qū)。一旦有水冰在那里出現(xiàn)，它們就可以在那里存在很長(zhǎng)一段時(shí)間。

“信使號(hào)”的水星任務(wù)

圖1 “信使號(hào)”搭載的儀器包括水星雙重成像系統(tǒng)（MDIS）、伽瑪射線與中子頻譜儀、X射線頻譜儀（XRS）、磁力計(jì)（MAG）、水星激光測(cè)高儀（MLA）、水星大氣和表面成分頻譜儀（MASCS）以及高能粒子和等離子頻譜儀（EPPS）。這些儀器通過數(shù)據(jù)處理單元（DPUs）與探測(cè)器相連。考慮到要攜帶入軌所需推進(jìn)劑的質(zhì)量，“信使號(hào)”的有效載荷——也就是這些儀器全部加起來——不能超過50千克。而且，它們只能安裝在看得到水星而又不至于被太陽(yáng)光直接照射的地方。在嚴(yán)酷的空間環(huán)境中，保證儀器始終處在合適的溫度范圍內(nèi)也是必要的。

這些水星上的冰是由美國(guó)宇航局（NASA）“信使號(hào)”上搭載的探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的。“信使號(hào)”是第一艘進(jìn)入環(huán)繞水星軌道的探測(cè)器，載有7臺(tái)科學(xué)儀器，并對(duì)水星的表面進(jìn)行雷達(dá)探查，以揭開這顆離太陽(yáng)最近的行星演化歷史的秘密?！靶攀固?hào)”（MESSENGER）意指“水星表面”（MErcury Surface）、“空間環(huán)境”（Space ENvironment）、“地質(zhì)化學(xué)”（GEochemistry）、與“高程測(cè)量”（Ranging）。在環(huán)繞水星運(yùn)行的三年多時(shí)間里，“信使號(hào)”共拍攝了超過250000張圖像，并采集了大量其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

這是“信使號(hào)”第一次在水星北極區(qū)環(huán)形山的永久陰影中獲得水冰和其他凍結(jié)揮發(fā)性物質(zhì)的光學(xué)圖像。據(jù)最近發(fā)表在《地質(zhì)學(xué)》（Geology）上的一篇文章稱，這些圖像不僅顯示了凍結(jié)的揮發(fā)性物質(zhì)的形態(tài)，而且提供了這些冰狀物出現(xiàn)時(shí)間以及如何演化的信息。

“信使號(hào)”于2004年8月發(fā)射升空，2011年3月進(jìn)入環(huán)繞軌道，開始了其對(duì)水星為期一年的研究。2012年3月，“信使號(hào)”第一次延長(zhǎng)服役期，為期一年。目前，它正在處在第二次延長(zhǎng)服役期，預(yù)計(jì)于2015年3月結(jié)束。

圖2 由“信使號(hào)”探測(cè)器2012年拍攝的水星北極地區(qū)，其中雷達(dá)波高反區(qū)為黃色。那時(shí)科學(xué)家已經(jīng)高度懷疑這些雷達(dá)回波強(qiáng)烈的沉積物是水冰，這一假說最近被更為精細(xì)的觀測(cè)所證實(shí)。圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington。

水星上的冰：不是新概念，但絕對(duì)是新發(fā)現(xiàn)

20年前，陸基雷達(dá)獲得的圖像就顯示，水星兩極附近的環(huán)形山中有揮發(fā)性沉積物出現(xiàn)。雖然當(dāng)時(shí)還并不知道它們的成分，但是科學(xué)家構(gòu)造的模型預(yù)測(cè)出其中很可能含有水冰?，F(xiàn)在，通過中子光譜、熱力過程模擬以及紅外反射光譜的結(jié)果，“信使號(hào)”進(jìn)一步確認(rèn)了這一假說。

圖3 強(qiáng)烈反射雷達(dá)波的沉積物和永久陰影區(qū)。紅色表示的是由“信使號(hào)”探測(cè)到的水星北極地區(qū)處于陰影之下的范圍。由陸基雷達(dá)成像得到的極地沉積物用黃色表示。背景由“信使號(hào)”拍攝的圖像拼接而成。圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/ Carnegie Institution of Washington/National Astronomy and Ionosphere Center, Arecibo Observatory。

圖4 水星北緯75度以北的北極地區(qū)地形圖。表面高程由“信使號(hào)”搭載的“水星激光測(cè)高儀”于2012年測(cè)得。地圖中心附近是直徑110千米的普羅科菲耶夫（Prokofiev）環(huán)形山，其內(nèi)部盆地比周圍的陸地要低5千米。水星北極點(diǎn)在圖中康定斯基（Kandinsky）小環(huán)形山左邊、托爾金（Tolkien）小環(huán)形山下面的位置。

自“信使號(hào)”2012年第一次延長(zhǎng)服役期伊始，科學(xué)家們就試圖對(duì)這些揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行成像觀測(cè)，以確定它們的可能成分。而研究水星表面這些“暗影”地區(qū)的一個(gè)主要困難在于很難獲得清晰的圖像。雖然這些極地沉積物處在永久陰影當(dāng)中，科學(xué)家們還是通過先進(jìn)的成像技術(shù)，借助環(huán)形山壁漫反射的微弱陽(yáng)光，最終獲得了沉積物的圖像。

研究人員首先注意到的是普羅科菲耶夫（Prokofiev）環(huán)形山，這是水星北極地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)烈雷達(dá)回波物質(zhì)所處的最大環(huán)形山。圖5中顯示了密集的雷達(dá)回波區(qū)。在覆蓋廣泛的水冰層下方，人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小的撞擊結(jié)構(gòu)，無疑，水冰層是在下方的撞擊坑形成之后才出現(xiàn)的。

圖5 普羅科菲耶夫環(huán)形山（Prokofiev，左上圖中以青色標(biāo)出）直徑110千米。黃色輪廓標(biāo)識(shí)的是雷達(dá)回波強(qiáng)烈的區(qū)域。雷達(dá)信號(hào)由位于波多黎各的阿雷西博（Arecibo）射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)射和接收。該圖顯示了普羅科菲耶夫環(huán)形山內(nèi)部永久陰影區(qū)的表面結(jié)構(gòu)。右邊是粉色方框區(qū)域的放大圖。該圖中雷達(dá)回波強(qiáng)烈的區(qū)域（黃色標(biāo)出）中可見光反照率也很高，這說明那里很可能存在著覆蓋巖石表面的冰層！雷達(dá)回波強(qiáng)烈的區(qū)域之下還有若干小的撞擊坑——撞擊產(chǎn)生的拋射物并沒有覆蓋、遮住明亮的冰層，表明這些水冰沉積物是在撞擊坑產(chǎn)生之后才形成的。換句話說，就是這些冰層還很年輕。圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington。

在其他地區(qū)，人們也發(fā)現(xiàn)了水冰，不過大多被一層薄薄的暗色塵埃狀物質(zhì)所覆蓋，而且在這些覆蓋物中似乎存在著凍結(jié)的有機(jī)化合物。在這些區(qū)域的圖像中，暗色沉積物顯示了清晰的邊界。這一結(jié)果有些出乎意料，因?yàn)榍逦鞔_的邊界表明，這些揮發(fā)性沉積物產(chǎn)生的地質(zhì)年代非常晚。

圖6 柏遼茲環(huán)形山（Berlioz，粉圈標(biāo)出）直徑31千米，比康定斯基（Kandinsky）和普羅科菲耶夫（Prokofiev）環(huán)形山所處的地區(qū)要溫暖一些。因此，雖然環(huán)形山內(nèi)部的一些地區(qū)也處于永久的陰影當(dāng)中，但其表面溫度仍然不允許水冰存在。不過，在地表以下一點(diǎn)兒的地方，溫度就非常低，足夠水冰穩(wěn)定存在了。該圖顯示了地下可能存在水冰的地區(qū)。左圖是柏遼茲環(huán)形山的景觀，其中雷達(dá)回波強(qiáng)烈的地區(qū)用黃色標(biāo)出，紅色標(biāo)出的是永久陰影。中圖是在左圖基礎(chǔ)上拍攝幾個(gè)小時(shí)之后獲得的，是一幅長(zhǎng)時(shí)間曝光的圖像，其中可以看出環(huán)形山底部一塊明顯的暗區(qū)。如右圖所示，這塊暗區(qū)的位置與形狀剛好與雷達(dá)回波和永久陰影標(biāo)定的區(qū)域吻合。科學(xué)家認(rèn)為，這些暗色沉積物主要是通過滯留沉積過程堆積下來的凍結(jié)有機(jī)物（詳見圖7）。圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington。

一個(gè)大問題自然出現(xiàn)了：水星極地的這些水冰是從哪里來的？一個(gè)廣泛被大家所接受的假說是，它們是彗星撞擊時(shí)留下的。但是，彗星是在什么時(shí)候撞擊水星的？這些冰層的年齡是否已有數(shù)十億年？抑或它們只是最近才形成的？了解這些沉積物的年齡，將有助于我們了解類地行星上水的來源，包括我們的地球。大體上說，“信使號(hào)”拍攝的圖像表明，這些位于水星極區(qū)的沉積物要么是最近從其他行星上（一次性）帶來的，要么是通過某種現(xiàn)在仍在進(jìn)行的（我們尚不了解的）過程，在水星表面漸漸積累起來的。

除了“信使號(hào)”以外，其他探測(cè)器還用類似的技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)了月球極區(qū)環(huán)形山里的水冰。從某種意義上說，除了月球上的溫度比水星要低得多以外，水星和月球還是十分相似的。不過，“信使號(hào)”的圖像又揭示了月球與水星的一個(gè)重要區(qū)別，這或許能為科學(xué)家對(duì)凍結(jié)沉積物年齡的研究投下一縷陽(yáng)光：在水星的極區(qū)，有大量的區(qū)域顯示有水冰存在；而月球上極地永久陰影區(qū)的溫度比水星上要低得多，具體情況也大不相同。

對(duì)月球與水星這一區(qū)別的解釋是，科學(xué)家認(rèn)為水星極區(qū)的揮發(fā)性沉積物是較近期才形成的。如果當(dāng)前水星上的大量沉積物真的是一次長(zhǎng)期過程的近階段產(chǎn)物，那么可以設(shè)想，在漫長(zhǎng)的歷史中，曾經(jīng)有數(shù)量相當(dāng)可觀的揮發(fā)性物質(zhì)被帶到內(nèi)太陽(yáng)系來。

這個(gè)問題非常關(guān)鍵，因?yàn)橐坏├斫饬藘烧邽槭裁磿?huì)有區(qū)別，你就看到了決定兩者特征背后的過程。而正是這一過程決定了太陽(yáng)系中水冰的年齡與位置分布。毫無疑問，這趟探索之旅還將繼續(xù)下去。

圖7 人們認(rèn)為水星上的水冰是來自彗星的撞擊。關(guān)于這些水冰沉積物是如何形成的，最新的理論如右圖所示。A.一個(gè)位于高緯度的撞擊坑，在傾斜陽(yáng)光的照射下，其被照亮的半邊環(huán)壁溫度最高、被照亮的坑底溫度較低、永久陰影區(qū)域則是極度寒冷。B.一顆彗星或富含水分的小行星（同時(shí)含有有機(jī)物成分）撞擊了水星。C.彗星或小行星上的水和有機(jī)物散落到了水星上的大面積區(qū)域，其中一小部分位于極區(qū)。在極區(qū)的低溫下，水結(jié)成了冰，有機(jī)物被凍結(jié)在水冰當(dāng)中。D.隨著時(shí)間流逝，覆蓋在環(huán)壁溫暖區(qū)的水冰漸漸融化、蒸發(fā)了，表面只剩下更加穩(wěn)定的有機(jī)物雜質(zhì)。E.水冰繼續(xù)揮發(fā)，有機(jī)物繼續(xù)沉積，最后穩(wěn)定下來。在最寒冷的地區(qū)，水冰仍然留在最表層。而在較溫暖的地區(qū)，殘留冰層的上方則被一層已經(jīng)失去了水冰的有機(jī)雜質(zhì)層所覆蓋，這層有機(jī)物因長(zhǎng)期暴露于空間環(huán)境之下，被塵埃污染而變成了暗色。圖片來源：NASA/UCLA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/ Carnegie Institution of Washington。

在我們的太陽(yáng)系里，有什么地方?jīng)]有冰嗎？

在我上高中的時(shí)候，老師告訴我們地球是非常特殊的，因?yàn)檫@里有水存在，而水對(duì)生命的起源與演化十分重要。但現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)系里幾乎所有的天體上都有水。水星和月球的極地上有水冰?；鹦堑叵碌耐翆雍蛢蓸O的極冠中有大量的冰。木星、土星、天王星和海王星的內(nèi)部存在容量巨大的水。而且在這四顆行星的幾乎所有大衛(wèi)星上，都有冰層覆蓋的表面和/或表面之下的液態(tài)水海洋。甚至連彗星和柯伊伯帶天體（包括冥王星和它的衛(wèi)星）也大多含有冰。這樣看來，水其實(shí)一點(diǎn)也不稀罕！事實(shí)上，只有太陽(yáng)和金星上沒有水。雖然只有地球上存在著覆蓋星體表面的液態(tài)水，但如果未來的太空旅行者需要，很多其他行星上的水也都是完全可以利用的！

圖8 康定斯基環(huán)形山（Kandinsky，輪廓由青色標(biāo)出）直徑60千米，位于水星北極點(diǎn)附近，并且有證據(jù)表明其中存在水冰?？刀ㄋ够h(huán)形山的底部常年處于陰影之中，從未受到太陽(yáng)直接照射，非常寒冷。不過，通過周圍環(huán)壁漫反射光線的照明，“信使號(hào)”拍攝的這張圖像還是能夠揭示出陰影區(qū)的地形結(jié)構(gòu)。上、下兩幅圖拍攝的位置完全相同，不過通過亮度和對(duì)比度的調(diào)整，處在陰影中的底部結(jié)構(gòu)在下圖中清晰地展現(xiàn)出來。圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/ Carnegie Institution of Washington。