2 去找火星上到水
火星上诺克提斯迷宫区域
1996年，时任美国总统克林顿宣布发现疑似火星微生物遗迹的陨石之时，还宣布要在1997年将人类历史上的第一辆火星车送上火星。NASA没有让克林顿失望。1997年7月4日，美国独立日，火星探路者号成功着陆火星。一辆被命名为“旅居者号”（Sojourner）的小小火星车从着陆器上开了出来，火星的戈壁滩在荒凉了几十亿年后，终于迎来了第一个带着目的移动的小东西。这次火星任务的主要目的是验证最新的安全气囊着陆技术。旅居者号的科考能力非常有限，所以它没能给我们带来什么新发现。然而，人类探索火星的热情被探路者号的成功着陆推向了高潮。
“去火星上找到水”成了全世界行星科学家和科学爱好者的最大愿望。带着无数人的期望和NASA的雄心，1998年12月11日，火星气候探测者号（Mars Climate Orbiter）升空，顺利飞向火星。它的目标是在火星的环绕轨道上用遥感技术来寻找火星大气层和地表的水。22天后，另一个火星探测器火星极地着陆者号（Mars Polar Lander）也成功发射升空，它的目标是登陆火星南极寻找水源。两个火星探测器同时在太空中飞向目标，这让NASA从上到下忙得团团转。但所有人都是既辛苦又兴奋，他们对这两个探测器抱着极大的信心。
火星气候探测者号经过了286天的长途跋涉，终于要进入火星环绕轨道了。就在这个时候，意外发生了，火星气候探测者号的信号突然消失了。这个打击让NASA的专家们措手不及，一阵忙乱之后，最终也没能找回信号，火星气候探测者号消失在了火星的大气层中。
旅居者号火星车
事故原因的分析报告出来后，NASA局长的鼻子都要被气歪了，这是一次彻彻底底的人为失误。我把原因写出来，估计你都要被气死。原来，这个探测器的飞行系统软件使用的是公制单位牛顿（N）来计算的推进器动力，而地面人员则使用了英制单位磅力（lbf）来设置探测器的方向矫正量，结果导致探测器进入大气层的高度有误，最终瓦解碎裂。你可以想象一下，NASA局长看到这份报告时候的表情，这个探测器可花了3亿2760万美元啊，就这样被一个马虎的工程师给彻底毁了。我没有查到那位可怜的工程师最后被怎么样了，估计他这一辈子都不会再搞错单位制式了。这3亿多美元的惨痛教训让NASA在此后制定了严格的单位制式使用规定。
俗话说，福无双至，祸不单行。两个多月后，所有人都还没有走出火星气候探测者号失败的阴影，几乎是同样的悲剧再度上演。火星极地着陆者号在登陆火星的最后一刻也突然失联，永远失去了信号。NASA的领导们神经再坚强，也承受不住这样的双重打击。虽然这次事故的准确原因一直没有定论，但审查委员会高度怀疑这也是人为的程序漏洞，导致反推引擎提前关闭，探测器从40米的高空直接摔落，脆弱的电子设备瞬间被摔得稀巴烂。
在不到3个月的时间里，美国人接连失去了两个火星探测器，七八亿美元打了水漂，这让NASA遭到了空前的指责和压力。美国民众纷纷指责宇航局领导不行、管理不行、设计不行，统统都不行。
NASA这次真的是惨到家了，他们从上到下背负着巨大的压力，忍辱负重，咬着牙为下一次火星探测任务忙活着。转眼间，新世纪来临了，人类终于走入了21世纪。2001年来临的时候，所有的科幻迷都期待着能发生点什么跟宇航有关的大事。因为这个年份在每一个科幻迷的心中都有着非常特殊的意义。
1968年，好莱坞传奇导演斯坦利·库布里克（Stanley Kubrick, 1928—1999）和科幻三巨头之一的阿瑟·克拉克（Arthur Charles Clarke, 1917—2008）合作的科幻电影《2001：太空奥德赛》 （2001: A Space Odyssey）(1)正式上映，它成了科幻影史上的经典，所有太空科幻迷心中的《圣经》。在这部电影中，克拉克幻想人类在2001年就可以驾驶载人宇宙飞船飞向木星（Jupiter）。一转眼，33年过去了，当人类的历史终于步入2001年，这时候的阿瑟·克拉克已经84岁高龄了。然而令老人失望的是，他所幻想的那个未来并没有到来，人类的宇航技术并没有取得突飞猛进的进展，我们拥有的技术只能向月球以外的行星发射无人探测器。
但是，令老人高兴的是，为了纪念他在30多年前写就的伟大作品，一个火星探测器被命名为“2001火星奥德赛号”（2001 Mars Odyssey）。2001年4月7日，协调世界时(2)15点02分，在著名的美国卡纳维拉尔角空军基地，三角洲2号运载火箭腾空而起，它呼啸着飞出了地球大气层，将探测器送上了飞向火星的霍曼转移轨道(3)，这是从地球到火星的捷径，只需要6个月零几天就能抵达火星。
科幻作家阿瑟·克拉克
2001年10月24日，2001火星奥德赛号抵达火星环绕轨道，它开始围绕着火星兜圈子。通过推进器的气阻减速，每绕一圈，探测器就会离火星更近一些，就这样一圈一圈地接近火星。到了2002年1月，气阻减速终于完成，2001火星奥德赛号抵达预定火星轨道。NASA所有工作人员总算是长舒了一口气，这个探测器终于成功了。那么，它能否为我们揭开火星水源之谜呢？
2001火星奥德赛号最大的本事就是从高空拍摄卫星照片，它拍摄了大量的火星地表照片，再次证实了以往的火星探测器的研究成果，火星在历史上肯定存在过大量的水。因为火星表面到处都是流水冲刷过的痕迹，有冰川的遗迹，还有干涸的河床、湖床，甚至是瀑布的痕迹。但这些发现并不能让科学家们感到满意，他们想知道的是，现在还有没有水？
2003年7月，终于有了新发现。
2001火星奥德赛号上携带的一个设备，叫伽马射线光谱仪（GRS），这个仪器有一个本事，它能侦测到中子（neutron）(4)。科学家们要用这个设备来侦测从火星表面释放出的中子，期待着这些中子能为我们带来火星地表下面的信息。
为了让你能够理解火星奥德赛号的重要发现，我必须花点时间给你讲解一下火星释放出中子的原理。实际上，这些中子产生的原因来自太空。看似空无一物的太空，其实一点都不平静，整个太空中弥漫着来自银河系之外的高能粒子(5)。虽然极为稀薄，但这种高能粒子的能级非常高，我们也形象地把它们称为“宇宙射线”。你可以把它们想象成从银河系之外打过来的微小子弹，它们能跨越数百万甚至上千万光年打到我们的太阳系，它们或许来自超新星，或许来自黑洞的喷流以及人类未知的神秘天体。
在地球上，绝大多数来袭的宇宙射线会击中浓密大气层中的各种物质，顺利抵达地表的数量微乎其微。然而，火星的大气密度不到地球的1%，所以，相比之下就会有多得多的宇宙射线轰击到火星的表面。这些宇宙射线的能级极高，能穿透到火星地表下数米之深，与地表下的岩石和风化层发生相互作用，制造出一种独特的高能快中子源。
2001火星奥德赛号原本计划侦测的就是这种从火星地表下数米深处放出的快中子。2001火星奥德赛号确实侦测到了从地表射出的中子，但令人没有想到的是，其中竟然还含有大量的慢中子。所谓的快中子、慢中子，指的就是这些中子的运动速度。我们打个比方，来自宇宙中的子弹击中岩石后，会溅射出高速运动的碎片。如果我们侦测到了高速运动的碎片，说明理论没错，但如果侦测到了运动速度慢很多的碎片，就必须有个合理的解释。
2001火星奥德赛号探测器
我们先来说一下快中子是如何变成慢中子的。核反应堆能稳定地制造快中子，控制中子流的速度快慢可以通过调节核反应堆的能量输出大小。要达到这个目的，在核反应堆中需要使用慢化剂，原理很简单，就是让快中子反复撞击慢化剂中的原子，从而减速。在核反应堆中最常用的慢化剂有两种，就是石墨（C）和重水（D2O），真正起作用的是碳原子和氘（D2，读dāo）原子，氘原子是氢原子的一种同位素（Isotope）(6)。实际上，普通的水也能起到慢化剂的作用，只是效果没有重水好。
现在，2001火星奥德赛号侦测到了从火星表面逸出的慢速中子流。这就意味着，在火星地表下一到两米深的地方必然大量存在某种起到慢化剂作用的物质。那么，什么物质既能够大量存在，又能够起到慢化剂的作用呢？最容易想到的候选物质有两种。第一种就是干冰，这是被冻成固态的二氧化碳（CO2），含有大量的碳原子，可以作为慢化剂。但是，考虑到干冰稳定存在需要极低的温度，因此，只有在火星两极这样的严寒地区才可能允许干冰大面积存在。在非两极地区，昼夜温差很大，太阳一晒，干冰就挥发了。看来，是干冰的可能性不大。
另一种就是水。当然，限于火星的表面温度，水应该被冻成了冰。水中含有大量的氢原子，可以起到慢化剂的作用。如果这个猜想成立，那么结论就非常惊人了。这说明在火星表面之下，可能存在着一个遍布全行星的固态水库。科学家们做了进一步的计算，假如真的是水在充当慢化剂，那么这些水大约占到了火星表面下数米深度以内总物质质量的14%，而这些冰如果全部融化，足以在火星表面形成一个覆盖全球的14厘米深的海洋！
越是惊人的结论就越是需要惊人的证据，仅仅依靠慢中子流这一项证据显然是不够的，不足以说服科学家们相信这么惊人的结论。但遗憾的是，2001火星奥德赛号的能力也就仅限于此了，它毕竟是一个轨道环绕器，没办法亲自到火星上去刨一个坑看看里面有没有水冰。你看到这里可能以为我是在随手写一句俏皮话，幽默一下。其实不然，要证实2001火星奥德赛号的发现，我们真的需要一个会刨坑的火星探测器。也正是2001火星奥德赛号的这个发现，让NASA下定决心制造一台会刨坑的火星着陆器，看看火星的泥土之下到底有没有水冰。
这就是2008年5月25日在火星北极成功着陆的凤凰号（Phoenix）火星探测器，它将给全世界的火星迷带来一个大大的惊喜。凤凰号的外形就像一只张开翅膀的大鸟，它有一根带铲子的机械臂，可以把火星上的土壤铲到一个叫作TEGA的分析仪器中，这也是凤凰号携带的最重要的仪器，中文全称是：热与蒸发气体分析仪。就在凤凰号开始工作的二十多天后，大事件发生了。
2008年6月19日，NASA公布了两张重磅照片，一时间轰动了全世界。第一张照片是凤凰号在第20个火星日拍摄的，照片上是凤凰号的铲子在火星地表土壤中挖出的一个沟槽，很浅，最多也就十几厘米深。NASA的科学家很有意思，他们还给这个沟槽起了个名字——渡渡鸟-金凤花，以此来纪念火星上的第一个人造沟槽。在这个沟槽中，我们可以非常明显地看到一些白色的物质。第二张照片依然是这个沟槽，但时间是第24个火星日，那些白色物质的面积明显缩小了。首先，这些白色物质不可能是干冰，因为凤凰号所在区域的地表温度是-90℃至-20℃，远高于干冰需要的-120℃的低温。你想想，在零下几十摄氏度的温度下，白色、会挥发，除了水冰，实在想不到其他东西能解释了。因此，这两张照片一公布，立即轰动了全世界。我第一次看到这两张照片时，想象着这可是在距离地球几亿千米的外星球啊，太令人神往了。
凤凰号火星探测器
凤凰号只是随便这么浅浅地一铲子下去，就挖出了这么大一块冰，这说明火星的土壤中确实如2001火星奥德赛号预言的那样，含有极其巨量的冰。不过，仅仅凭这两张照片，还不能说是掌握了确凿的证据，真正让人无法反驳的证据是实实在在的化学数据分析。凤凰号有这个能力，它可以把铲出来的土倒入TEGA中进行加热再分析成分。
这份土壤样本的分析数据是这样的：在加热到0℃时，检测到了水蒸气。这就是火星水冰的实锤证据，铁证如山了。你可能会奇怪，0℃时难道不应该是冰融化成水吗？在地球上是这样。但是在火星上，大气压还不到地球的1%，气压越低，水的沸点就越低。所以，火星上的冰直接就从固态加热成气态了。
凤凰号在火星上挖出的沟槽
左图：第20个火星日
右图：第24个火星日
2008年7月31日，NASA召开了新闻发布会，宣布了凤凰号的重大发现。来自亚利桑那大学的TEGA首席科学家威廉·博因顿（William Boynton）非常幽默地说：“嗯，宣布这个消息我很开心，我们已经把一块冰的样本放入了TEGA。昨天我们发现成功了，真是大喜过望啊，大家纷纷开香槟庆祝。我们等待这一时刻已经很久了。当然，众所周知，奥德赛号的伽马射线光谱仪6年前就发现了这块冰，但现在我们终于摸到它，还尝了一口，在这之前可没人做到。我要声明啊，从我的角度来说，这味道真不赖。我很高兴有机会参与整个过程。”
6年前，2001火星奥德赛号非同寻常的预言终于有了非同寻常的证据，凤凰号的研究成果也发表在了当年的《科学》杂志上。自从凤凰号证实了火星地表下的那些白色物质确实是水冰后，我们就能通过火星上空的轨道卫星发现更多的证据互相印证。例如，火星每年都会受到小陨石撞击，在拍摄到的新陨石坑的照片中总能发现亮晶晶的白色物质，几天或者几周后它们就会消失，这些都是货真价实的水冰。
火星上水冰的储量很大，在电影《火星救援》 （The Martian）里，男主角费尽心思冒着爆炸的风险燃烧氢气来生成水，那也许是为了电影的剧情需要。但未来的火星基地理应建立在富含地下冰的区域，这样一来，需要水时只要到外面去挖冰就可以了，一铲子下去就能挖到大块大块的冰。就算挖不到大块的冰，直接加热火星的土壤也能得到水。
通过轨道卫星对火星全球的遥感分析(7)，我们发现在火星极地干冰盖的下面，也储藏着大量的水冰。现在，科学家们相信，整个火星的水储量足以用30米的深度覆盖整个星球。在远古时代，火星曾经拥有深达500米的海洋。
然而，证实火星上存在水冰不但没有满足我们对火星的好奇心，反而更加激发了我们对火星的好奇心。我们迫切地想知道：火星上有没有可能存在液态水呢？
2015年9月28日，NASA宣布在火星上发现了流动的液态水的确凿证据。
NASA公布的证据是：通过火星探测轨道器上的成像光谱仪，研究人员在火星山坡表面找到了水化(8)矿物的痕迹，从这些斜坡表面能看到一些神秘的条状纹路。在温度比较高的时候，这些条状纹路的颜色会变深，似乎是随着陡峭的山坡往下流；在温度较低的时候，这些条状纹路的颜色会变浅(9)。温度超过-23℃时，它们会出现在火星上的不同位置，而温度更低时，它们就消失了。含水的盐会降低盐水的冰点，就像在地球上，我们往道路上撒盐，冰雪会融化得更快。科学家们表示，这可能是因为浅层的地下水在流动，只有足够的水慢慢流向表面才能解释条纹的变深。他们所说的水指的是高浓度的盐水。
讲到这里，我们可以为火星上的水之谜结案了，结论就是：火星上拥有非常丰富的水资源，液态、固态和气态三种形态的水在火星上都存在，未来的火星殖民者不必为水发愁。
凤凰号仅仅是拉开了对火星实地考察的序幕，5年后，火星将再次迎来一位重量级的地球来客，而它将带来一些令科学家们备感错愕和浮想联翩的新发现。它是谁？它的新发现是什么？请看下一章。
(1)又名《2001：太空漫游》。
(2)协调世界时（Coordinated Universal Time）：又称世界统一时间、世界标准时间、国际协调时间，简称UTC。协调世界时是以原子时（IAT）秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时（UT）的一种时间计量系统。原子时是以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统。世界时即格林尼治平太阳时间，是指格林尼治所在地的标准时间。
(3)霍曼转移轨道（Hohmann Transfer Orbit）：一种变换太空船轨道的方法，通过充分利用星体引力产生的能量，航天器可以实现在不同轨道的转移，途中只需两次引擎推进，相对节省燃料，由德国物理学家瓦尔特·霍曼（Walter Hohmann, 1880—1945）提出。
(4)中子：组成原子核的核子之一，是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分，但是氕（H，读piē）原子不含中子。
(5)高能粒子（high-energy particle）：指几十吉电子伏以上的粒子，包括电子、质子、介子、中子等，是研究物质结构最有用的工具之一。
(6)同位素：具有相同质子数、不同中子数的同一元素的不同核素。
(7)遥感分析（remote sensing analysis）：指运用遥感技术对地表进行探索并从中提取有用信息的现代地理学研究方法。遥感技术是从不同高度的平台，使用传感器收集地物的电磁波信息，再将这些信息传输到地面并加以处理，从而达到对地物的识别与检测的全过程。
(8)水化（hydration）：物质与水发生化合叫水化作用，又称水合作用，一般指分子或离子的水合作用。
(9)NASA Confirms Evidence That Liquid Flows on Today’s Mars, nasa.com, Sept. 28, 2015.