火星的冰凍史——火星水資源流失之謎有了新發現

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原作：Okayama University

翻譯：劉海牧

校對：王茸 尹天任

審閱：繆征一

美編：周英杰

后臺：李子琦

數十年來，科學家始終好奇：火星曾擁有多少水資源？又是什么讓它從可能的 “濕潤星球”，逐漸變成如今我們所見的干旱模樣？

2025年9月2日，一項發表于國際期刊《地質學》（Geology）的新研究，為解開這些謎團提供了重要線索。研究團隊將目光聚焦于火星隕石坑，這些隕石坑并非普通的 “地表凹陷”，而是天然的 “冰層檔案庫”，封存著火星億萬年的冰凍歷史記錄。

最終研究的核心結論令人矚目：火星在數億年間經歷了多次冰河時代，但每一次冰期循環后，殘留的冰層數量都在穩步減少，印證了這顆紅色星球正處于緩慢的全球性干旱過程中。

解鎖火星冰川密碼

這項研究由日本岡山大學行星材料研究所的特里希特?魯杰（Trishit Ruj）副教授牽頭，聯合日本三家頂尖科研機構的學者共同完成，形成了專業的 “火星冰凍史研究聯盟”：團隊成員包括日本高知核心樣本研究所奧田華也博士、日本高知大學長谷川仁博士、日本宇宙航空研究開發機構宇宙科學研究所臼井智宏教授。研究團隊通過分析火星北緯20°至45°之間隕石坑內保存的冰川地貌，成功還原了火星在漫長歲月中儲存與流失水資源的完整過程。

火星的冰期循環，背后藏著一個與地球截然不同的 “氣候開關”——自轉軸傾斜角度（又稱 “黃赤交角”）的劇烈變化。魯杰博士解釋道：“地球的自轉軸傾斜角度相對穩定（約 23.5°），但火星的傾斜角度在數百萬年間會大幅擺動。這種擺動會重新分配火星表面的光照，直接觸發冰層‘累積 — 消融’的循環。”

具體而言，這個循環讓火星氣候呈現兩種鮮明狀態：

1.低傾斜期：冰層主要集中在極地冰蓋，中緯度地區相對干燥；

2.高傾斜期：中緯度地區出現大范圍冰川，隕石坑內開始逐步累積冰層——從稀薄分散的局部沉積，慢慢形成厚重廣闊的冰體填充。

這些富冰沉積物不僅是火星過往氣候變遷的“記錄者”，還可能標示出過去火星上潛在的宜居區域。

火星自轉軸傾斜角度（黃赤交角）的變化，會導致其氣候在兩種狀態間切換：傾斜角度較小時，冰層主要集中在極地冰蓋；傾斜角度較大時，中緯度地區則會出現大范圍冰川。在這樣的循環過程中，隕石坑內會逐漸累積冰層 —— 從稀薄且分散的局部沉積，逐步形成厚重且廣闊的冰體填充。這些富冰沉積物不僅記錄了火星過往的氣候變遷，還可能標示出過去火星上潛在的宜居區域。

資料來源：日本岡山大學行星材料研究所 特里希特?魯杰副教授

尋找冰川痕跡

要還原億年前的火星冰凍史，科研人員靠的是 “太空千里眼”—— 美國國家航空航天局（NASA）“火星勘測軌道飛行器” 傳回的高分辨率圖像。

團隊重點排查了帶有 “冰川活動痕跡” 的隕石坑，這些痕跡就像火星冰川留下的 “指紋”，能精準印證冰的存在與活動，主要包括三類：

冰脊：冰川移動時擠壓形成的長條狀凸起，類似地球上冰川的 “運動軌跡”；

冰磧：冰川消退后，沿途攜帶的碎石、泥沙堆積形成的 “小山堆”，是冰川 “退去” 的直接證據；

腦紋地形：富冰地貌經長期地質作用（如溫度變化、風蝕）后，形成的布滿凹陷的 “迷宮狀地表”，因形態類似大腦紋理而得名。

通過將這些地貌特征的形態、朝向與氣候模型對比，研究團隊發現了一個關鍵規律：無論在哪個冰川時期（約6.4億年前至9800萬年前），冰層始終集中在隕石坑西南側的巖壁——這里溫度更低、更易形成陰影，是水冰留存的“理想區域”。

研究意義與價值

這項研究的價值遠不止 “讀懂火星”，它既為人類未來的火星任務鋪路，也為地球的氣候研究提供了重要參考。

1.為火星探測“指路”：找到未來的“火星水源”

隱藏在隕石坑中的冰層，可能是人類登陸火星后的 “關鍵補給站”。通過 “原位資源利用（ISRU）” 技術，這些冰能實現多重價值,比如直接融化成飲用水；轉化為氧氣，供宇航員呼吸；分解為氫氣和氧氣，制成火箭燃料（解決 “從火星返回地球” 的燃料難題）等。

臼井教授指出：“了解這些長期存在的冰層沉積物，能幫我們為無人探測器著陸、載人登陸選擇‘安全且資源豐富’的區域 —— 不用從地球攜帶全部物資，宇航員可‘就地取材’生存，這讓長期火星任務更可行、成本更低。”

2.為地球氣候“預警”：從火星看水資源的脆弱性

火星冰層的持續縮減，是 “全球性氣候變化” 的典型案例 —— 它清晰展示了水資源系統如何應對長期環境變化（如光照、溫度的持續改變）。

更重要的是，研究中用到的 “高分辨率成像分析”“地貌與氣候模型結合” 等技術，完全可用于監測地球的冰川、永久凍土和隱蔽水源。如今，地球正面臨極地冰川消融、凍土退化等問題，火星的 “冰凍史” 能為地球水資源保護提供 “參照系”。

長谷川博士強調：“火星就像一座天然實驗室，讓我們能觀察冰層在數千萬年間的變化規律。我們從火星獲得的洞見，同樣能加深對地球氣候過程的認知。”

從火星的“冰凍往事”看未來

這項研究最終為我們勾勒出一幅完整的火星冰凍圖景：它曾多次在 “冰量豐富” 與 “冰量衰減” 間循環，卻終因每一次循環的 “冰損失”，慢慢走向干旱。

這些藏在隕石坑中的“冰層檔案”，不僅讓我們讀懂了火星的過去，更讓人類離“登陸火星、利用火星資源”的目標更近了一步。或許在不久的將來，當人類真正踏上這顆紅色星球時，正是這些億萬年前形成的冰層，將成為我們在另一個世界生存、發展的“第一口生命之源”。

『天文濕刻』 牧夫出品

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火星上的古老奧甘奎特海灘

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https://phys.org/news/2025-10-frozen-clues-mars-crater-deposits.html