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说起地球的南极和北极，人们的脑海里马上会浮现出冰雪的画面。那么，地球的邻居火星的南北极呢，也就是钢铁侠马斯克说要移民的星球？会不会也是冰天雪地的壮阔模样？

地球的北极和南极(来源：美国宇航局)

火星的前两极

17世纪末，荷兰天文学家惠更斯利用自己设计的精密望远镜，首次发现火星南北两极都有一个巨大的“白点”，像戴了一顶白帽子。虽然我们不知道这位天文学家当时看到的是什么样的景象，但后来通过努力，人类拍下了这颗红色星球戴着白帽子的“证件照”。

地球和火星都戴着白帽子(来源：NASA)

对比发现，地球和火星都戴着白帽子。帽子，古称“冠”。我们中国人给火星两极的帽子起了一个优雅的名字，——“polar cap”，而在西方英语里就是“火星极地冰帽”。

火星极冠近景

我们可以看到火星的南北极被厚厚的白色物质覆盖，白色物质与红棕色区域形成鲜明对比，还可以观察到强风和风暴的痕迹。这样的景象让我们想起了地球南北极的冰雪。有时，火星上会出现白云，会模糊火星表面的地质特征，使人类的火星轨道器任务无法清晰拍摄。

火星的极冠(来源：美国宇航局)

2006年火星北极极冠照片(来源：欧空局)

神秘的白色物质

拿铁上看起来像帽子和花的白色材料到底是什么？人们从未停止寻找答案。18世纪末，英国科学家斯托尔尼曾设想白色物质是固体二氧化碳，也就是俗称的“干冰”。到了20世纪中叶，天文学家柯伊伯利用光谱观测推测出白色物质是水冰而不是干冰。受限于当时的科技，斯托尔尼和柯伊伯只能停留在猜测的阶段。

直到人造探测器对火星进行了多次探测，人类才正式确认极冠含有85%的二氧化碳干冰和大约15%的水冰。这是对火星认识的一大进步，也是对我们祖先科学假说的证据回应。

极冠包含水冰和二氧化碳干冰(来源：科学)

火星季节性极冠

火星探测器发回的照片显示，火星表面大部分是一个干燥贫瘠的世界，到处是沙砾，那么极冠是如何形成的呢？

根据地球上的生活经验，看到冰雪覆盖的冰冻世界，第一感觉就是“冷”。作为地球的“姊妹星”，火星和地球一样，也有冬夏交替的周期。火星与太阳的距离比地球远，表面平均温度比地球低，平均温度在-60左右，火星两极的温度更低，使得火星两极以水冰和干冰为主的物质永久存在。

火星的极冠会随着季节变化吗？早在20多年前，人类就已经用哈勃望远镜观测到了火星极冠的变化。地球一年到头都在变，火星也是。北极极冠每年在火星夏季蒸发约1m的干冰，而火星南极的干冰厚度约8m，整个夏季要完全蒸发为时已晚。这导致火星的极冠每年都会发生变化，类似于地球南北极的冰雪变化。夏天气温高，冰雪融化，极冠范围会缩小。冬季由于气温下降，大气中的二氧化碳开始凝结，极冠范围变大。而水和二氧化碳通过升华和冷凝在极冠和大气之间来回穿梭，构成了目前火星气候的重要组成部分。

望远镜观测到的火星北极极冠变化图(来源：美国亚利桑那大学)

极冠不仅有液态水湖，还有火山口冰川湖。

无论是水冰还是干冰，是不是在极冠只有固态的「冰」？早在2018年，意大利科学家R.Orosei的团队利用火星快车轨道器的雷达数据，发现在火星南极极冠下1.5公里处存在20公里宽的液态水体。2020年9月28日，在轨道器新雷达数据的帮助下，意大利行星科学家S.E .劳罗的团队最近发现，南极洲乌尔蒂的Ultimi Scopuli下面有三个液态水体，其中最大的长约20km 30km。这是人类火星探索之旅的重大发现。3354原来火星并不像肉眼看到的那样干燥贫瘠！

除了地下层所含的液态水，在火星北极地区的大奥林匹亚翁达沙丘场的南部，还有一个保存完好的陨石坑——科洛列夫。陨石坑底部位于其边缘下方两公里处，周围是厚约1.8公里的圆顶状沉积物，是水冰和干冰的混合物。冰面上的空气冷却后比周围的空气重，所以科洛列夫陨石坑里的“冰”是永久稳定存在的。因为空气是热的不良导体，水冰层可以有效避免被加热升华。

火山口冰湖(由数字地形模型和火星快车的探测数据结合而成)(图片来源：欧空局)

在地球上，水是生命之源，是人类生存的瑰宝。

在火星上，水和冰资源的发现无疑是可喜的。

人类正在向太空和火星发射火星探测器，期待这些“拓荒者”挖掘出更多的“宝藏”，获得更多的发现！

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