現在，火星上發現水的訊息如此普遍，以至於這個話題已經成為行星科學家們之間開玩笑的物件：“恭喜你——你已經第 1000 次在火星上發現水了！”
這些發現大多涉及古代、早已消失的水的視覺證據，或當今冰、蒸汽或水合礦物質的證據。在當今地表發現實際的液態水，可能會改變火星探測的程序。在地球上有水的地方，幾乎總是有生命。因此，證實火星上存在水將大大提高發現外星生命的可能性。這是一個關於持續努力揭示液態水在今天的火星上起什麼作用（如果有的話）的故事。
關於現代水的第一個可信證據出現在 2000 年，當時美國宇航局公佈訊息稱，火星全球勘測者（MGS）探測器已經發現了大量與地球上流水侵蝕形成的水溝非常相似的表面特徵。美國宇航局當時的新聞稿宣稱，火星上的水溝表明“在火星表面或附近可能存在當前的液態水源”。這些水溝引起了許多行星科學家的注意，因為人們普遍認為它們是由流水或溼碎屑流形成的。
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然而，令人不安的問題很快出現。成千上萬條這樣的水溝，其中一些長達數公里，點綴在火星中緯度地區的斜坡上，這意味著液體的量非常難以解釋。這顆行星的大氣壓非常低，不到地球大氣壓的 1%，地表上的純水會迅速凍結、蒸發或沸騰消失。
一些研究人員認為，這些水溝一定是過去的遺蹟，當時這顆行星經歷了更大的季節性溫度變化。然後，在 2006 年，來自 MGS 的新資料顯示，淺色物質在過去幾年內剛剛從水溝中溢位。這些水溝畢竟不是化石。
幸運的是，隨著水溝謎團開始蔓延，一艘功能強大的新探測器剛剛抵達火星。火星勘測軌道飛行器（MRO）搭載了高解析度成像科學實驗（HiRISE），我是該實驗的首席研究員。HiRISE 是有史以來在行星際任務中搭載的最強大的相機，它將很快提供關於水溝的關鍵證據。但它也會給我們帶來更多。
當 MRO 詳細的新影像解開了水溝的謎團時，我實驗室的一名學生髮現了一個以前從未見過的火星表面令人困惑的特徵——地表上的條紋，沿著山坡向下流動，緩慢生長，並隨著季節變化，表明它們是液態水流。這些條紋已被證明是火星上存在液態水的有力證據。它們為我們提供了關於液態水如何在如此惡劣的環境中存在的新想法，以及迄今為止最好的跡象，表明火星可能仍然包含一個靠近地表的、生命可以生存的生態位。
陌生但又熟悉
從一開始，我們在設計 HiRISE 時就考慮到了水溝和其他小規模結構，該相機使我們能夠比以往任何時候都更詳細地檢查這些特徵。HiRISE 可以以亞米解析度（每畫素 0.25 至 0.32 米）彩色拍攝火星表面的任何部分。MRO 還可以精確地將相機指向感興趣的特徵，在多個軌道上尋找景觀的變化。此外，該探測器還可以以立體方式繪製地形圖，以建立三維檢視。
HiRISE 的高解析度立體和彩色相結合，以及在多個火星年內重複成像，極大地提高了我們對行星不斷變化的表面的瞭解。我們記錄了風吹起的塵埃和沙子、岩石雪崩、霜凍和冰，以及點綴在地表的新撞擊地點[見左側照片]。
我們最初的 HiRISE 影像之一，來自其測繪活動，顯示了南部中緯度地區的一個斜坡，上面有 MGS 發現的神秘水溝。在南半球冬季，大部分朝南的斜坡仍然在隕石坑邊緣的陰影中。霜凍，主要是凍結的二氧化碳，大面積覆蓋了斜坡——除了在一些水溝通道中。這種霜凍的缺失表明水溝內部正在發生一些事情。
我們花了大約兩個火星年（將近四個地球年）才捕捉到許多正在變化的水溝，但資料最終揭示了一個驚人的趨勢。當二氧化碳霜覆蓋地面時，水溝變得活躍起來——形成新的凹室、通道和扇形地貌。我們以前見過凍結的二氧化碳，即乾冰，在起作用。在火星的極地地區，二氧化碳的季節性昇華（從固態變為氣態的變化）產生奇異的冷噴流，類似於間歇泉。在火星南極附近的冰和塵埃層狀沉積物上，二氧化碳的昇華形成了“蜘蛛”，即乾冰下滯留的氣體流動和侵蝕形成的放射狀通道網路。這些是非常不尋常的地貌，在地球上看不到，因此它們是由一種外星過程形成的，這很有道理。
相比之下，火星上的水溝看起來非常像地球上的溝壑或非常大的水溝，以至於許多研究人員認為它們是由類似地球的過程塑造的。相反，我們將發現它們也可以透過一種在熟悉的地球地形上根本不會發生的過程產生。
我的同事和我最終得出結論，二氧化碳必然會透過無水過程（例如干冰的昇華）引發水溝的形成。這些過程可能導致岩石和土壤像液體一樣向下流動。
將乾冰霜作為水溝形成的原因解釋了許多謎團。首先，我們曾想知道為什麼水溝主要形成於面向極地的斜坡上，這些斜坡位於南緯 30 度至 40 度之間，以及所有陡峭的面向極地的斜坡上，這些斜坡位於南緯 40 度以南。事實證明，這種模式與二氧化碳霜的季節性分佈相符。其次，我們無法解釋為什麼水溝在南半球比在北半球活躍得多。在火星目前在軌道歲差週期中的位置，南半球的冬季比北半球的冬季長，因此積累的霜凍更多。當乾冰覆蓋地面時，地表和大氣溫度穩定在二氧化碳霜點，約為零下 125 攝氏度。純水在 0 攝氏度時結冰，因此乾冰霜凍季節是一年中最不可能存在液態水的時期。
陽光下的新事物
我開始得出結論，今天火星上大部分的地表侵蝕是由二氧化碳霜驅動的——現代火星上有水的想法可能是“完全錯誤的”。在火星的所有緯度地區，地表都會響應乾燥的環境過程（如風）而發生變化，但最廣泛的變化發生在季節性二氧化碳覆蓋區域。
然後，在 2010 年年中，一位 HiRISE 本科生研究員發現了非常不同的東西。Lujendra (“Luju”) Ojha 正在使用 HiRISE 立體影像對生成數字地形模型。我建議他在我們看到水溝中通道切口的一個區域的立體影像對上使用變化檢測技術。立體影像對的第一張影像是在第二張影像之前兩個月採集的，我們想弄清楚在那短暫的時間間隔內是否發生了任何變化。Ojha 建立了數字地形模型，然後使用這些資料合成了俯檢視，就好像軌道飛行器一直在正視其目標一樣。最後，他比較了這些影像以尋找細微的變化。
Ojha 的發現令人困惑。在後來的影像中，許多狹窄的黑色線條從陡峭的岩石區域向下延伸。這些條紋在第一張影像中不存在。
我不知道如何解釋地表上這些異常的線條，因此我們收集了更多資訊。首先，我們檢查了所有在陡峭斜坡上採集的立體影像對。我們已經採集了數百對這樣的影像來研究水溝、儲存完好的撞擊坑和基岩裸露區。在這些影像中，我們發現了其他好奇的表面特徵的例子。每次我們都看到同樣的事情：黑色線條，沒有可辨別的地形，出現在靠近基岩的陡峭斜坡上。所有捕捉到這些特徵的影像都是在夏季南半球中緯度地區面向赤道的斜坡上採集的——與二氧化碳驅動地表活動的季節相反。
向下延伸的黑色線條自然會讓我們地球人想到水或潮溼的土壤，但我的同事和我選擇保持謹慎。
現行捉拿
在我們能夠確定條紋狀斜坡的原因之前，我們需要收集更多關於它們何時何地發生的證據。我們對這些夏季流動懷疑了幾件事：它們在數週或數月內緩慢且逐漸增長，然後在寒冷的季節褪色或消失，然後在下一個夏天再次形成。
因為直到 MRO 在火星的第二個南半球夏季，我們才認識到暖季流動，所以我們不得不等到第三個南半球夏季，即 2011 年初，來檢驗我們的假設。我們選擇了六個地點進行密集監測以觀察變化，並抽查了其他地點。這些觀測證實了我們的懷疑，我們在 2011 年 8 月的《科學》雜誌上發表了我們的發現。
在我們的《科學》論文中，我們將這些流動特徵稱為“季節性斜坡紋線”，或 RSL，這是一個純粹描述性的名稱，不假設我們知道它們的起源。如果我們將其稱為“水跡”，我們將錯誤地傳達我們確信它們是如何產生的。
然而，到那時，我們已經更加確信水以某種方式與這種新發現的現象有關。畢竟，RSL 偏愛不尋常的環境：中緯度地區，尤其是在南半球特別溫暖的斜坡上，那裡的夏季比北半球更炎熱[見對面頁面的方框]。火星奧德賽號探測器上的儀器已經測量到這些地方的下午地表溫度高達 27 攝氏度。
如果不是因為稀薄的火星空氣迫使純水迅速蒸發甚至沸騰消失，那麼高於 0 攝氏度的溫度似乎完全適合液態水。然而，鹽水是一種完全不同的物質。正如所有成功的著陸器和漫遊車、軌道上的光譜儀以及火星隕石的化學分析所證明的那樣，火星表面非常鹹。在火星表面或地下流動的液體水也必須含有高濃度的鹽。
當鹽水冷卻時，它要麼部分凍結成冰，要麼沉澱出一些鹽，或者兩者兼而有之。剩下的任何液體現在都處於所謂的共晶成分中，即具有恰到好處的鹽濃度的水，可以在儘可能低的溫度下保持液態。鐵硫酸鹽或高氯酸鈣（火星上兩種常見的鹽）的鹽水溶液，在其共晶成分中，可以在低至零下 68 攝氏度的溫度下保持液態。此外，與水相比，這種共晶液體可以更好地經受環境暴露——它們的蒸發速度不到純水的十分之一。共晶鹽水的異常特性使其在火星上比純水穩定得多，因此我們開始相信，這些溫暖斜坡上的奇怪流動實際上可能是鹽水的結果。
儘管如此，我們還是遵循了追求多重工作假設的標準做法。某種乾燥的——或接近乾燥的——現象能否解釋這些觀測結果？沒有描述過任何純粹乾燥的過程，例如巖崩或滑坡，可以解釋季節性、漸進式增長和對溫度的敏感性，而且我們從未在地球乾燥的月球上見過任何類似的情況。
接下來，我們考慮到揮發性化合物（如水）可能參與其中，但只是作為次要角色。如果揮發物使土壤顆粒粘在一起，最溫暖的溫度可能會升華掉粘合劑，從而釋放出乾燥的顆粒向下流動。（美國宇航局的鳳凰號探測器在 2008 年遇到了這種粘性，當時土壤頑固地粘在機器人的倒置鏟子的內部，而不是掉入機載儀器的入口開口中。）然而，該假設無法解釋為什麼 RSL 沒有地形起伏，也無法解釋為什麼它們會褪色。水使土壤變黑，並且僅在溫暖時流動，然後在夜間再次凍結，最能解釋這些觀測結果。
這種地表活動的含水起源並非完全陌生。在南極洲，外觀相似的水跡確實是由淺層地下鹽水流動形成的。令人興奮的是，研究人員在這些南極水跡中發現了微生物。那麼為什麼不宣佈“尤里卡”？我們已經從水溝中吸取了教訓，要謹慎——外表可能會騙人。（有趣的是，儘管如此，我們還是在小通道或水溝附近發現了許多 RSL，這表明一些水溝可能畢竟是由水侵蝕形成的。）此外，陸地類似物只能將我們帶到如此遠的地方：火星夜間的溫度比南極洲低得多，因此未凍結土壤的活動層要薄得多。
隨處可見的水的主張
我們不是第一批，甚至不是第二批提出現代火星上存在液態水的研究人員。來自鳳凰號任務的照片顯示，在機器人著陸器的支腿上似乎有水滴。在我瞭解到潮解之前，這個想法對我來說似乎非常瘋狂，潮解是指當空氣的溫度和相對溼度都足夠高時，鹽從大氣中吸收水分的過程。如果鳳凰號的逆向火箭在著陸時揚起了高氯酸鹽，那麼條件可能適合鹽吸收水分併產生液滴。我以為鹽度是火星上產生水的新範例，直到我意識到加州理工學院的羅伯特·B·萊頓和布魯斯·C·默裡在 1966 年就發表了這個想法。
潮解似乎是解釋 RSL 的一個誘人的方法，但該過程從稀薄的火星空氣中產生的水量非常少——不足以向下坡流動，除非某種機制允許它隨著時間的推移積累。
也許融化的地下冰是 RSL 的原因。我們知道，根據來自軌道的neutron遙感，中高緯度地區蘊藏著淺層冰沉積物。我們用 HiRISE 發現的一些新鮮撞擊坑暴露了這些冰，一直延伸到北緯 40 度，比預期的更靠近赤道。
這些冰沉積物是什麼樣的？令人驚訝的是，從岩石遍佈的地表下挖掘出來的冰非常乾淨，冷凍層中幾乎沒有混合土壤。這意味著冰不是大氣中冷凝的產物，後者會填充細粒風化層顆粒之間的空間。它似乎也不是降雪的殘餘物，降雪在表面不會持續很長時間就會升華消失。相反，也許是薄薄的鹽水膜從下方遷移並重新凍結成乾淨的地下冰層。
這種機制避免了昇華的各種問題。由於非鹽冰的昇華速度比冷凍鹽水快得多，因此在過去氣候中淺層地下形成的幾乎所有冰現在都已昇華消失。只有最鹹的冰會保留下來。面向太陽的陡峭斜坡可能會在夏季吸收所需的熱量，從而融化持續存在的鹽冰。
我們有觀測結果支援這一想法。RSL 活動高峰與淺層地下的溫度高峰相對應，後者比地表加熱高峰晚幾個月。另一方面，如果夏季溫度足夠溫暖以融化鹽冰，那麼冰應該會隨著時間的推移而消失。也許它正在消失，並且 RSL 在每個地點僅活躍幾個火星年或幾十年，或者水可能以某種方式得到補充[見第 63 頁的方框]。
在所有正確的地方尋找生命
到目前為止，還沒有在 RSL 地點直接識別出水。MRO 上的光譜儀是我們完成這項工作的最大希望，但它可能缺乏必要的空間解析度來精確定位地表上的如此狹窄的條紋。更糟糕的是，MRO 的軌道確保了探測器在火星上觀察到永久的下午，而那時地表可能沒有水或水不多。從實驗室研究中，我們現在瞭解到，鹽水可以在火星表面的某些季節和某些地點保持穩定，主要是在一天中的兩個時間：清晨和傍晚。空氣的相對溼度在早晨升溫時降低，在傍晚降溫時升高。可能會有短暫的時期，溫度和相對溼度都足夠高，某些型別的鹽可以透過潮解吸收並保持水分。在傍晚，這個過程可能會在日落後發生，而日落後很難進行有針對性的觀測。在早晨，潮解發生在日出之後，即使相對溼度大幅下降，水也會持續存在。
確認或證偽 RSL 是由液態水形成的理想儀器將是光譜儀，它具有高空間解析度（優於 5 米，即最大的 RSL 的寬度），我們可以使用它在一天中的多個時間（包括早晨）進行觀測。我和我的一些同事在最近一次關於未來火星探測的研討會上提出了這樣一個任務概念。該任務還將以高解析度獲取成像、地形測繪和溫度測繪。這樣的探測器將使我們能夠確認水的存在（或不存在），並說明宜居性。如果我們沒有檢測到水，那麼 RSL 背後的現象將需要另一種解釋——也許是更令人驚訝的解釋。
如果 RSL 確實反映了液態水的存在，那麼自然的下一個問題是，水是否為某些嗜鹽微生物創造了宜居環境。我們已經瞭解了很多關於地球上的極端微生物——能夠在特別低或高的溫度、極端乾旱或鹽度、高輻射水平等條件下生存的物種。我們知道，這些生物不僅可以生存，而且實際上可以在某些液體中在零下 20 攝氏度以下的溫度下繁殖。一些共晶溶液不適合居住（就我們所知），因此並非總是如此，即在地球上有液態水的地方就有生命。然而，許多 RSL 地點在夏季白天的部分時間裡，在幾釐米的深度範圍內很可能高於零下 20 攝氏度。而且，如果火星上存在極端微生物，它們可能比陸地微生物更能耐受火星的極端環境。
水跡斑斑的火星可能帶來的影響是巨大的。目前，我的同事和我仍在努力更好地瞭解 RSL 的性質。我們已經確定了比我們在 2011 年最初的《科學》論文中報告的更多的活躍 RSL 地點。其他研究人員已經進行了實驗室研究和南極實地考察，試圖在地球上觀察或複製 HiRISE 從火星軌道上看到的東西。我們希望我們的共同努力將闡明這種新發現的現象，以及流動的水是否確實是其起源的最佳候選者。也許，在無數次在火星上發現水的發現中，第 1001 次將會是幸運的。