现在，火星上发现水的消息如此普遍，以至于这个话题已经成为行星科学家们之间开玩笑的对象：“恭喜你——你已经第 1000 次在火星上发现水了！”
这些发现大多涉及古代、早已消失的水的视觉证据，或当今冰、蒸汽或水合矿物质的证据。在当今地表发现实际的液态水，可能会改变火星探测的进程。在地球上有水的地方，几乎总是有生命。因此，证实火星上存在水将大大提高发现外星生命的可能性。这是一个关于持续努力揭示液态水在今天的火星上起什么作用（如果有的话）的故事。
关于现代水的第一个可信证据出现在 2000 年，当时美国宇航局公布消息称，火星全球勘测者（MGS）探测器已经发现了大量与地球上流水侵蚀形成的水沟非常相似的表面特征。美国宇航局当时的新闻稿宣称，火星上的水沟表明“在火星表面或附近可能存在当前的液态水源”。这些水沟引起了许多行星科学家的注意，因为人们普遍认为它们是由流水或湿碎屑流形成的。
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然而，令人不安的问题很快出现。成千上万条这样的水沟，其中一些长达数公里，点缀在火星中纬度地区的斜坡上，这意味着液体的量非常难以解释。这颗行星的大气压非常低，不到地球大气压的 1%，地表上的纯水会迅速冻结、蒸发或沸腾消失。
一些研究人员认为，这些水沟一定是过去的遗迹，当时这颗行星经历了更大的季节性温度变化。然后，在 2006 年，来自 MGS 的新数据显示，浅色物质在过去几年内刚刚从水沟中溢出。这些水沟毕竟不是化石。
幸运的是，随着水沟谜团开始蔓延，一艘功能强大的新探测器刚刚抵达火星。火星勘测轨道飞行器（MRO）搭载了高分辨率成像科学实验（HiRISE），我是该实验的首席研究员。HiRISE 是有史以来在行星际任务中搭载的最强大的相机，它将很快提供关于水沟的关键证据。但它也会给我们带来更多。
当 MRO 详细的新图像解开了水沟的谜团时，我实验室的一名学生发现了一个以前从未见过的火星表面令人困惑的特征——地表上的条纹，沿着山坡向下流动，缓慢生长，并随着季节变化，表明它们是液态水流。这些条纹已被证明是火星上存在液态水的有力证据。它们为我们提供了关于液态水如何在如此恶劣的环境中存在的新想法，以及迄今为止最好的迹象，表明火星可能仍然包含一个靠近地表的、生命可以生存的生态位。
陌生但又熟悉
从一开始，我们在设计 HiRISE 时就考虑到了水沟和其他小规模结构，该相机使我们能够比以往任何时候都更详细地检查这些特征。HiRISE 可以以亚米分辨率（每像素 0.25 至 0.32 米）彩色拍摄火星表面的任何部分。MRO 还可以精确地将相机指向感兴趣的特征，在多个轨道上寻找景观的变化。此外，该探测器还可以以立体方式绘制地形图，以创建三维视图。
HiRISE 的高分辨率立体和彩色相结合，以及在多个火星年内重复成像，极大地提高了我们对行星不断变化的表面的了解。我们记录了风吹起的尘埃和沙子、岩石雪崩、霜冻和冰，以及点缀在地表的新撞击地点[见左侧照片]。
我们最初的 HiRISE 图像之一，来自其测绘活动，显示了南部中纬度地区的一个斜坡，上面有 MGS 发现的神秘水沟。在南半球冬季，大部分朝南的斜坡仍然在陨石坑边缘的阴影中。霜冻，主要是冻结的二氧化碳，大面积覆盖了斜坡——除了在一些水沟通道中。这种霜冻的缺失表明水沟内部正在发生一些事情。
我们花了大约两个火星年（将近四个地球年）才捕捉到许多正在变化的水沟，但数据最终揭示了一个惊人的趋势。当二氧化碳霜覆盖地面时，水沟变得活跃起来——形成新的凹室、通道和扇形地貌。我们以前见过冻结的二氧化碳，即干冰，在起作用。在火星的极地地区，二氧化碳的季节性升华（从固态变为气态的变化）产生奇异的冷喷流，类似于间歇泉。在火星南极附近的冰和尘埃层状沉积物上，二氧化碳的升华形成了“蜘蛛”，即干冰下滞留的气体流动和侵蚀形成的放射状通道网络。这些是非常不寻常的地貌，在地球上看不到，因此它们是由一种外星过程形成的，这很有道理。
相比之下，火星上的水沟看起来非常像地球上的沟壑或非常大的水沟，以至于许多研究人员认为它们是由类似地球的过程塑造的。相反，我们将发现它们也可以通过一种在熟悉的地球地形上根本不会发生的过程产生。
我的同事和我最终得出结论，二氧化碳必然会通过无水过程（例如干冰的升华）引发水沟的形成。这些过程可能导致岩石和土壤像液体一样向下流动。
将干冰霜作为水沟形成的原因解释了许多谜团。首先，我们曾想知道为什么水沟主要形成于面向极地的斜坡上，这些斜坡位于南纬 30 度至 40 度之间，以及所有陡峭的面向极地的斜坡上，这些斜坡位于南纬 40 度以南。事实证明，这种模式与二氧化碳霜的季节性分布相符。其次，我们无法解释为什么水沟在南半球比在北半球活跃得多。在火星目前在轨道岁差周期中的位置，南半球的冬季比北半球的冬季长，因此积累的霜冻更多。当干冰覆盖地面时，地表和大气温度稳定在二氧化碳霜点，约为零下 125 摄氏度。纯水在 0 摄氏度时结冰，因此干冰霜冻季节是一年中最不可能存在液态水的时期。
阳光下的新事物
我开始得出结论，今天火星上大部分的地表侵蚀是由二氧化碳霜驱动的——现代火星上有水的想法可能是“完全错误的”。在火星的所有纬度地区，地表都会响应干燥的环境过程（如风）而发生变化，但最广泛的变化发生在季节性二氧化碳覆盖区域。
然后，在 2010 年年中，一位 HiRISE 本科生研究员发现了非常不同的东西。Lujendra (“Luju”) Ojha 正在使用 HiRISE 立体图像对生成数字地形模型。我建议他在我们看到水沟中通道切口的一个区域的立体图像对上使用变化检测技术。立体图像对的第一张图像是在第二张图像之前两个月采集的，我们想弄清楚在那短暂的时间间隔内是否发生了任何变化。Ojha 创建了数字地形模型，然后使用这些数据合成了俯视图，就好像轨道飞行器一直在正视其目标一样。最后，他比较了这些图像以寻找细微的变化。
Ojha 的发现令人困惑。在后来的图像中，许多狭窄的黑色线条从陡峭的岩石区域向下延伸。这些条纹在第一张图像中不存在。
我不知道如何解释地表上这些异常的线条，因此我们收集了更多信息。首先，我们检查了所有在陡峭斜坡上采集的立体图像对。我们已经采集了数百对这样的图像来研究水沟、保存完好的撞击坑和基岩裸露区。在这些图像中，我们发现了其他好奇的表面特征的例子。每次我们都看到同样的事情：黑色线条，没有可辨别的地形，出现在靠近基岩的陡峭斜坡上。所有捕捉到这些特征的图像都是在夏季南半球中纬度地区面向赤道的斜坡上采集的——与二氧化碳驱动地表活动的季节相反。
向下延伸的黑色线条自然会让我们地球人想到水或潮湿的土壤，但我的同事和我选择保持谨慎。
现行捉拿
在我们能够确定条纹状斜坡的原因之前，我们需要收集更多关于它们何时何地发生的证据。我们对这些夏季流动怀疑了几件事：它们在数周或数月内缓慢且逐渐增长，然后在寒冷的季节褪色或消失，然后在下一个夏天再次形成。
因为直到 MRO 在火星的第二个南半球夏季，我们才认识到暖季流动，所以我们不得不等到第三个南半球夏季，即 2011 年初，来检验我们的假设。我们选择了六个地点进行密集监测以观察变化，并抽查了其他地点。这些观测证实了我们的怀疑，我们在 2011 年 8 月的《科学》杂志上发表了我们的发现。
在我们的《科学》论文中，我们将这些流动特征称为“季节性斜坡纹线”，或 RSL，这是一个纯粹描述性的名称，不假设我们知道它们的起源。如果我们将其称为“水迹”，我们将错误地传达我们确信它们是如何产生的。
然而，到那时，我们已经更加确信水以某种方式与这种新发现的现象有关。毕竟，RSL 偏爱不寻常的环境：中纬度地区，尤其是在南半球特别温暖的斜坡上，那里的夏季比北半球更炎热[见对面页面的方框]。火星奥德赛号探测器上的仪器已经测量到这些地方的下午地表温度高达 27 摄氏度。
如果不是因为稀薄的火星空气迫使纯水迅速蒸发甚至沸腾消失，那么高于 0 摄氏度的温度似乎完全适合液态水。然而，盐水是一种完全不同的物质。正如所有成功的着陆器和漫游车、轨道上的光谱仪以及火星陨石的化学分析所证明的那样，火星表面非常咸。在火星表面或地下流动的液体水也必须含有高浓度的盐。
当盐水冷却时，它要么部分冻结成冰，要么沉淀出一些盐，或者两者兼而有之。剩下的任何液体现在都处于所谓的共晶成分中，即具有恰到好处的盐浓度的水，可以在尽可能低的温度下保持液态。铁硫酸盐或高氯酸钙（火星上两种常见的盐）的盐水溶液，在其共晶成分中，可以在低至零下 68 摄氏度的温度下保持液态。此外，与水相比，这种共晶液体可以更好地经受环境暴露——它们的蒸发速度不到纯水的十分之一。共晶盐水的异常特性使其在火星上比纯水稳定得多，因此我们开始相信，这些温暖斜坡上的奇怪流动实际上可能是盐水的结果。
尽管如此，我们还是遵循了追求多重工作假设的标准做法。某种干燥的——或接近干燥的——现象能否解释这些观测结果？没有描述过任何纯粹干燥的过程，例如岩崩或滑坡，可以解释季节性、渐进式增长和对温度的敏感性，而且我们从未在地球干燥的月球上见过任何类似的情况。
接下来，我们考虑到挥发性化合物（如水）可能参与其中，但只是作为次要角色。如果挥发物使土壤颗粒粘在一起，最温暖的温度可能会升华掉粘合剂，从而释放出干燥的颗粒向下流动。（美国宇航局的凤凰号探测器在 2008 年遇到了这种粘性，当时土壤顽固地粘在机器人的倒置铲子的内部，而不是掉入机载仪器的入口开口中。）然而，该假设无法解释为什么 RSL 没有地形起伏，也无法解释为什么它们会褪色。水使土壤变黑，并且仅在温暖时流动，然后在夜间再次冻结，最能解释这些观测结果。
这种地表活动的含水起源并非完全陌生。在南极洲，外观相似的水迹确实是由浅层地下盐水流动形成的。令人兴奋的是，研究人员在这些南极水迹中发现了微生物。那么为什么不宣布“尤里卡”？我们已经从水沟中吸取了教训，要谨慎——外表可能会骗人。（有趣的是，尽管如此，我们还是在小通道或水沟附近发现了许多 RSL，这表明一些水沟可能毕竟是由水侵蚀形成的。）此外，陆地类似物只能将我们带到如此远的地方：火星夜间的温度比南极洲低得多，因此未冻结土壤的活动层要薄得多。
随处可见的水的主张
我们不是第一批，甚至不是第二批提出现代火星上存在液态水的研究人员。来自凤凰号任务的照片显示，在机器人着陆器的支腿上似乎有水滴。在我了解到潮解之前，这个想法对我来说似乎非常疯狂，潮解是指当空气的温度和相对湿度都足够高时，盐从大气中吸收水分的过程。如果凤凰号的逆向火箭在着陆时扬起了高氯酸盐，那么条件可能适合盐吸收水分并产生液滴。我以为盐度是火星上产生水的新范例，直到我意识到加州理工学院的罗伯特·B·莱顿和布鲁斯·C·默里在 1966 年就发表了这个想法。
潮解似乎是解释 RSL 的一个诱人的方法，但该过程从稀薄的火星空气中产生的水量非常少——不足以向下坡流动，除非某种机制允许它随着时间的推移积累。
也许融化的地下冰是 RSL 的原因。我们知道，根据来自轨道的neutron遥感，中高纬度地区蕴藏着浅层冰沉积物。我们用 HiRISE 发现的一些新鲜撞击坑暴露了这些冰，一直延伸到北纬 40 度，比预期的更靠近赤道。
这些冰沉积物是什么样的？令人惊讶的是，从岩石遍布的地表下挖掘出来的冰非常干净，冷冻层中几乎没有混合土壤。这意味着冰不是大气中冷凝的产物，后者会填充细粒风化层颗粒之间的空间。它似乎也不是降雪的残余物，降雪在表面不会持续很长时间就会升华消失。相反，也许是薄薄的盐水膜从下方迁移并重新冻结成干净的地下冰层。
这种机制避免了升华的各种问题。由于非盐冰的升华速度比冷冻盐水快得多，因此在过去气候中浅层地下形成的几乎所有冰现在都已升华消失。只有最咸的冰会保留下来。面向太阳的陡峭斜坡可能会在夏季吸收所需的热量，从而融化持续存在的盐冰。
我们有观测结果支持这一想法。RSL 活动高峰与浅层地下的温度高峰相对应，后者比地表加热高峰晚几个月。另一方面，如果夏季温度足够温暖以融化盐冰，那么冰应该会随着时间的推移而消失。也许它正在消失，并且 RSL 在每个地点仅活跃几个火星年或几十年，或者水可能以某种方式得到补充[见第 63 页的方框]。
在所有正确的地方寻找生命
到目前为止，还没有在 RSL 地点直接识别出水。MRO 上的光谱仪是我们完成这项工作的最大希望，但它可能缺乏必要的空间分辨率来精确定位地表上的如此狭窄的条纹。更糟糕的是，MRO 的轨道确保了探测器在火星上观察到永久的下午，而那时地表可能没有水或水不多。从实验室研究中，我们现在了解到，盐水可以在火星表面的某些季节和某些地点保持稳定，主要是在一天中的两个时间：清晨和傍晚。空气的相对湿度在早晨升温时降低，在傍晚降温时升高。可能会有短暂的时期，温度和相对湿度都足够高，某些类型的盐可以通过潮解吸收并保持水分。在傍晚，这个过程可能会在日落后发生，而日落后很难进行有针对性的观测。在早晨，潮解发生在日出之后，即使相对湿度大幅下降，水也会持续存在。
确认或证伪 RSL 是由液态水形成的理想仪器将是光谱仪，它具有高空间分辨率（优于 5 米，即最大的 RSL 的宽度），我们可以使用它在一天中的多个时间（包括早晨）进行观测。我和我的一些同事在最近一次关于未来火星探测的研讨会上提出了这样一个任务概念。该任务还将以高分辨率获取成像、地形测绘和温度测绘。这样的探测器将使我们能够确认水的存在（或不存在），并说明宜居性。如果我们没有检测到水，那么 RSL 背后的现象将需要另一种解释——也许是更令人惊讶的解释。
如果 RSL 确实反映了液态水的存在，那么自然的下一个问题是，水是否为某些嗜盐微生物创造了宜居环境。我们已经了解了很多关于地球上的极端微生物——能够在特别低或高的温度、极端干旱或盐度、高辐射水平等条件下生存的物种。我们知道，这些生物不仅可以生存，而且实际上可以在某些液体中在零下 20 摄氏度以下的温度下繁殖。一些共晶溶液不适合居住（就我们所知），因此并非总是如此，即在地球上有液态水的地方就有生命。然而，许多 RSL 地点在夏季白天的部分时间里，在几厘米的深度范围内很可能高于零下 20 摄氏度。而且，如果火星上存在极端微生物，它们可能比陆地微生物更能耐受火星的极端环境。
水迹斑斑的火星可能带来的影响是巨大的。目前，我的同事和我仍在努力更好地了解 RSL 的性质。我们已经确定了比我们在 2011 年最初的《科学》论文中报告的更多的活跃 RSL 地点。其他研究人员已经进行了实验室研究和南极实地考察，试图在地球上观察或复制 HiRISE 从火星轨道上看到的东西。我们希望我们的共同努力将阐明这种新发现的现象，以及流动的水是否确实是其起源的最佳候选者。也许，在无数次在火星上发现水的发现中，第 1001 次将会是幸运的。