? ? 據(jù)國外媒體報道，火星極地冰蓋底部存在液態(tài)水的假說于30多年前首次提出，之后的爭論一直沒有決定性的結果。無線電回聲探測（radio echo sounding，RES）是很適合用來解決這一爭論的技術，因為低頻率雷達被廣泛用于探測陸地極地冰蓋底部的液態(tài)水，效果也很成功。冰與水之間，或冰與水飽和沉積物之間的界面，能夠產(chǎn)生明亮的雷達發(fā)射?；鹦强燔囂枺∕ars Express）探測器上的火星亞表面和電離層探測高新雷達（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，MARSIS）正是用于進行RES實驗的設備。MARSIS已經(jīng)在火星亞表面進行了超過12年的調(diào)查，搜尋液態(tài)水的證據(jù)。有報道顯示，在靠近南極層狀沉積（South Polar Layered Deposits，SPLD），即火星南極冰蓋最厚部分的區(qū)域具有強烈的基底回波。這些特征被解釋為，由于雷達信號通過非常冷的純水冰層傳播，因而衰減可以忽略不計。在南極層狀沉積的其他區(qū)域因此也探測到反常的明亮反射。

?MARSIS采集的雷達數(shù)據(jù)

? ? 在地球上，對極地冰蓋上收集的雷達數(shù)據(jù)的解釋通常基于定性（基巖形態(tài)）和定量（反射雷達的峰值功率）分析的結合。MARSIS的設計，尤其是其非常大的足跡范圍（約3到5千米），無法提供很高的空間分辨率，極大限制了它通過基底地形識別冰下是否存在水體的能力。因此，對極地沉積底部液態(tài)水的精確探測要求定量估算基底物質(zhì)的相對介電常數(shù)（以下稱為介電常數(shù)），該數(shù)值決定了雷達回波的強度。

? ? 在2012年5月29日至2015年12月27日間，MARSIS調(diào)查了火星南極高原一處寬200千米的區(qū)域，中心位于193°E， 81°S，與之前一項研究的區(qū)域基本對應。無論是從火星軌道激光測高儀（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）的地形數(shù)據(jù)，還是在現(xiàn)有的軌道圖像中，這片區(qū)域都沒有展現(xiàn)出任何異常的特征。這里地形平坦，由水冰和含量10%到20%的塵埃組成，并且季節(jié)性地覆蓋一層厚度不超過1米的干冰?；鹦强睖y軌道飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter）上的淺地層雷達對該區(qū)域進行了更高頻率的雷達觀測，揭示了SPLD中幾乎沒有任何內(nèi)部分層，并且未檢測到任何基底回波，與北極層狀沉積和SPLD其他區(qū)域的觀測結果形成鮮明對比。

? ? ? ? ??基底地形和反射回波功率

? ? 通過發(fā)射以3和4MHz或4和5MHz為中心的緊密間隔無線電脈沖，利用機載未處理數(shù)據(jù)模式獲得了總共29個雷達剖面圖。觀測是在探測器位于火星夜面時進行的，以最大限度地減少信號的電離層散射。圖2A顯示了在該區(qū)域收集的一張MARSIS雷達圖，圖中尖銳的表面反射之后，是由SPLD內(nèi)層間界面產(chǎn)生的若干次反射。這些回波中最后一個代表了富含冰的SPLD與底層物質(zhì)（以下稱為基底物質(zhì)）之間的反射。在大多數(shù)調(diào)查區(qū)域，基底反射微弱且分散，但在某些位置，基底反射卻非常銳利，并且具有比周圍區(qū)域和表面更大的強度（明亮的反射）（圖2B）。在多個軌道的觀測重疊的情況下，以相同頻率采集的表面和亞表面回波功率具有一致的數(shù)值。

表面和基底回波之間的雙向脈沖傳播時間可用于估計亞表面反射體的深度，并繪制基底地形圖。假設SPLD內(nèi)的平均信號速度為170m/μs，接近在水冰中的傳播速度，那基底反射體的深度就大約是表面以下1.5千米。MARSIS大范圍的足跡和基底回波在明亮反射體外部擴散的屬性阻止了基底地形的細節(jié)重建，但是可以識別出一條從西向東的區(qū)域斜坡（圖3A）。明亮反射體集中的亞表面區(qū)域在地形上是平，而且被較高的地面包圍，除了在其東側存在一個凹陷。

? ? 介電常數(shù)可以提供對基底物質(zhì)組成的約束，原則上可以從SPLD底部反射信號的功率中獲取。遺憾的是，我們并不知道MARSIS天線的輻射功率，因為它無法在地面上校準（這得歸咎于儀器的大尺寸），因此反射回波的強度只能根據(jù)相對量來衡量。通常是將亞表面的回波強度歸一化為表面值，也就是計算基底和表面回波功率的比率。這種方法的優(yōu)點還在于補償信號的電離層衰減。按照這種方法，我們將亞表面回波功率歸一化為沿各個軌道計算的地面功率的中值；我們發(fā)現(xiàn)，在給定頻率下，所有歸一化剖面產(chǎn)生了一致的基底回波功率值（圖S3）。圖3B顯示了歸一化后基底回波功率的區(qū)域圖；在所有交叉軌道上，明亮反射體都位于193°E， 81°S附近，勾畫出了一個定義明確、寬20千米的亞表面異常。

? ? ? ? ??介電常數(shù)模擬和獲取結果

? ? 為了計算基底的介電常數(shù)，我們還需要有關SPLD介電特性——取決于沉積物的組成和溫度——的信息。由于水冰和塵埃的確切比例未知，又由于表面和SPLD底部之間的熱梯度受到很大限制，因此我們探索了這些參數(shù)的可能取值范圍，并計算了相應的介電常數(shù)范圍。我們做出了以下通用假設：1）SPLD由水冰和塵埃（含量從2%到20%不等）混合組成；2）SPLD內(nèi)部的溫度剖面是線性的，從表面的固定溫度（160K）開始，上升到SPLD底部的可變溫度（170K到270K）。通過考慮平面波與一個三層結構的正常撞擊來計算各種電磁場景，三層結構分別是：具有自由空間介電常數(shù)的半無限層；代表SPLD的均勻?qū)樱灰约按鞸PLD下方物質(zhì)，具有可變介電常數(shù)值的另一個半無限層。該計算輸出的是一個包含一系列曲線的包絡，這些曲線將歸一化的基底回波功率與基底物質(zhì)的介電常數(shù)聯(lián)系起來（圖4A）。這一包絡通過對每個允許的介電常數(shù)值與歸一化基底回波功率值的概率分布值進行加權，從而確定基底介電常數(shù)（包括明亮區(qū)域的內(nèi)外）的分布（圖4B）。該過程產(chǎn)生了兩個基底介電常數(shù)的獨特分布，估計位于明亮反射區(qū)域的內(nèi)部和外部（圖4C和圖S4），其在3、4和5MHz的中值分別是30 ± 3、33 ± 1和22 ± 1，以及9.9 ± 0.5、7.5± 0.1和6.7 ± 0.1。明亮區(qū)域外部的基底介電常數(shù)在4到15之間，是典型的干燥陸地火山巖。這也與SPLD基底物質(zhì)之前的預估值（7.5到8.5），以及火星中緯度表面致密干燥火成巖的雷達表面回波功率值一致。與此相反的是，此前在火星上并沒有觀察到像明亮區(qū)域內(nèi)這么高的介電常數(shù)值。在地球上，大于15的介電常數(shù)值很少與干燥物質(zhì)聯(lián)系在一起。

? ? 采集于南極和格陵蘭的RES數(shù)據(jù)顯示，大于15的介電常數(shù)值可以用來指示極地沉積下方存在液態(tài)水?；诘厍蚝突鹦窃谖锢憩F(xiàn)象上的明顯類比，我們可以推斷，從SPLD下方明亮區(qū)域中獲得的高介電常數(shù)值（部分）是水飽和物質(zhì)和/或液態(tài)水層造成的。

? ? 我們分析了SPLD下方明亮區(qū)域的其他可能解釋。例如位于SPLD頂部或底部的干冰層，或者整個SPLD中水冰的極低溫度，與表面反射相比，這些都可能增強基底回波功率。我們否定了這些解釋，有的因為需要非常具體且不大可能的物理條件，有的則是因為它們不足以導致強烈的基底反射（圖S5和S6）。盡管SPLD底部的壓力和溫度與液態(tài)二氧化碳的存在可以相容，但它的相對介電常數(shù)（約為1.6）要比液態(tài)水（約為80）低很多，因此不能產(chǎn)生明亮的反射。

? ? 此前有研究利用鳳凰號著陸器的濕化學實驗室（Wet Chemistry Lab）發(fā)現(xiàn)，火星北部平原土壤中含有大量的鎂、鈣和高氯酸鹽，支持了極地沉積底部液態(tài)水的存在。高氯酸鹽可以通過不同的物理和/或化學機制形成，并且已經(jīng)在火星的不同區(qū)域被發(fā)現(xiàn)。因此，可以合理地假設它們也存在于SPLD的底部。由于極地沉積底部的溫度估計約為205K，又由于高氯酸鹽能強烈抑制水的冰點（鎂和鈣的高氯酸鹽能使水的冰點分別降至204K和198K），因此我們認為，在極地沉積底部有可能存在一層高氯酸鹽水。這層鹽水可以和基底土壤混合，形成污泥，或者位于基底物質(zhì)上方，形成局部鹽水池。

? ? 此前在火星冰川下方的雷達探測中，液態(tài)水證據(jù)的缺乏已經(jīng)被用來支持這樣的假說，即火星極地冰蓋對基底融化而言太薄了，一些作者聲稱液態(tài)水可能位于比以往認為的更深的位置。MARSIS的數(shù)據(jù)顯示，在相對較淺的深度（約1.5千米），液態(tài)水也可能穩(wěn)定地存在于SPLD下方，從而約束了火星水圈的模型。SPLD的原始數(shù)據(jù)覆蓋范圍十分有限（只占南極高原面積的幾個百分點），加上融水區(qū)域的面積需要足夠大（直徑數(shù)千米，厚度幾十厘米）才能被MARSIS探測到，從而限制了識別小型液態(tài)水體及其之間是否存在液態(tài)連接的可能性。因此，沒有理由認定火星亞表面水體的存在只局限于某一區(qū)域。