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      1. “祝融號”揭秘火星淺表結(jié)構(gòu):未有液態(tài)水直接證據(jù),不排除鹽冰

        更新時間:2022-09-27 12:05:34作者:智慧百科

        “祝融號”揭秘火星淺表結(jié)構(gòu):未有液態(tài)水直接證據(jù),不排除鹽冰

        距離地球5500萬公里到4億公里的火星可能長期存在水活動?火星地下的地層結(jié)構(gòu)什么樣?
        祝融號、鳳凰號、洞察號、好奇號、毅力號和海盜號等人類六臺火星車在不同的時間登陸火星,探測這個遙遠的星球。
        9月26日23時,國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表論文公布了中國“祝融號”火星車的新雷達圖像,這是世界上首次在火星烏托邦平原實施的巡視器雷達探測,也是45年來該區(qū)域的首份新探測數(shù)據(jù),為烏托邦平原的盆地表面結(jié)構(gòu)提供了見解。
        1976年,美國海盜2號探測器在烏托邦平原北部登陸并首次實施了著陸探測,但未能探明地下結(jié)構(gòu)。
        火星高空軌道雷達雖然可以探測火星全球范圍內(nèi)的淺表結(jié)構(gòu),但其分辨率較低,特別是對于淺表百米以內(nèi)幾乎沒有分辨能力。
        2021年,中國首次火星任務(wù)中的“天問一號”攜帶的“祝融號”火星車成功著陸,此后在火星烏托邦平原上穿行?!白H谔枴被鹦擒嚧伪韺犹綔y雷達能夠有效對巡視區(qū)地下淺層結(jié)構(gòu)成像,深化我們對烏托邦平原演化、地下水/冰分布等關(guān)鍵科學(xué)問題的認(rèn)識。

        祝融著陸區(qū)地質(zhì)地貌圖。(a)祝融號、鳳凰號、洞察號、好奇號、毅力號和海盜號著陸點位置及古海岸線位置;(b)祝融號著陸點附近的簡化地質(zhì)圖,比例尺為200千米;(c)祝融號著陸點附近的地形地貌圖,比例尺為15千米;(d)祝融號行駛路徑圖,比例尺為100米

        中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所發(fā)布消息稱,該研究基于我國祝融火星車低頻雷達數(shù)據(jù),通過精細分析和成像,首次獲得了著陸區(qū)淺表(<80米)結(jié)構(gòu)與物性信息,提供了火星可能長期存在水活動的觀測證據(jù),為深入認(rèn)識火星地質(zhì)演化和環(huán)境、氣候變遷提供了重要依據(jù)。
        中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員陳凌是該論文的通訊作者。她和同事基于祝融號從著陸地點行進約1117米收集到的探地雷達數(shù)據(jù),展示了烏托邦平原南部地表圖像,揭示出地下多個亞層結(jié)構(gòu),提示來自數(shù)百萬年前偶發(fā)洪水之后的沉積物,或能增進我們對行星地質(zhì)和水文歷史的理解。
        烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地,曾經(jīng)可能是一個巨大的古海洋,預(yù)示著火星早期可能存在過宜居環(huán)境。烏托邦平原被北方荒原組沉積(Vastitas Borealis Formation,VBF)廣泛覆蓋,該地層可能代表了洪水相關(guān)的外流河道沖積形成的沉積或古海洋蒸發(fā)后殘留的沉積物質(zhì)。此外,烏托邦平原擁有眾多典型地貌(圖1c),如巨型多邊形、凹錐、壁壘撞擊坑等,都表明火星過去存在過大量的水/冰。然而,目前該區(qū)域地下是否仍然存在水/冰尚未可知,這限制了我們對火星水體演化的認(rèn)識。
        到目前為止,人類在地外天體上共開展了四次巡視雷達探測。其中,我國嫦娥三號和嫦娥四號首次實現(xiàn)了對月球正面和背面淺表結(jié)構(gòu)的精細探測。美國毅力號和我國祝融號巡視器于2021年開啟了火星雷達巡視探測的新紀(jì)元。毅力號的探測區(qū)域為杰澤羅撞擊坑邊緣,受限于雷達主頻(150-1200 MHz),其實際最大探測深度僅為15米。與毅力號雷達相比,祝融號高頻雷達的頻率更高(450-2150 MHz),低頻雷達的頻率更低(15-95 MHz),這使得高頻雷達對約0-5米深度的淺表目標(biāo)能夠看得更“細致”,低頻雷達對地下目標(biāo)看得更“深入”,實際最大探測深度達80米。
        中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星與月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究團隊,聯(lián)合國家空間科學(xué)中心和北京大學(xué)等科研人員,對祝融火星車前113個火星日采集的長度約1171米的低頻雷達數(shù)據(jù)展開了深入分析,獲得了80米之上的高精度結(jié)構(gòu)分層圖像和地層物性信息。

        低頻雷達數(shù)據(jù)成像結(jié)果及解譯。(a)低頻雷達剖面;(b)巖性地層;(c)平均介電常數(shù)隨深度的變化。白色實線為地層分界,虛線為層間反射模式變化的大致分界

        根據(jù)反射模式特征和估計的介電常數(shù),可以將地下結(jié)構(gòu)分為四層。第一層厚度小于10米,平均介電常數(shù)在3-4之間。第二層的深度約為10-30米,該層中反射能量隨深度逐漸增強,但未出現(xiàn)清晰連續(xù)的反射界面,平均介電常數(shù)為4-6。數(shù)值模擬表明,這些反射特征代表該層含有較多石塊,其粒徑隨深度逐漸增大。第三層的深度約為30-80米,與第二層類似,該層同樣具有反射隨深度由弱增強的模式變化特征,但反射相對更強、平均介電常數(shù)更高(6-7),這表明第三層中的石塊粒徑更大(可達米級)且分布更為雜亂。此外,未觀測到清晰的第三層底界面,這或是因為該層底部不存在介電常數(shù)對比明顯的介質(zhì)物性變化,或是雷達反射能量在約80米的深度已經(jīng)非常微弱,達到探測極限。
        將雷達圖像與著陸區(qū)地質(zhì)、地貌和撞擊坑挖掘深度及年齡約束相結(jié)合,獲得如下認(rèn)識:
        (1)深度小于10米的最上層為火壤層。
        (2)深度在10-30米的第二層沉積序列,可能是著陸區(qū)中晚亞馬遜紀(jì)火表改造事件的結(jié)果。短時洪水、長期風(fēng)化或重復(fù)隕石撞擊作用可能形成了這一層中向上變細的沉積層序。
        (3)深度范圍在30-80米的第三層沉積序列,可能反映著陸區(qū)更古老、更大規(guī)模的火表改造事件?;谧矒艨佣杲Y(jié)果,估計這次改造事件可能發(fā)生在35-32億年前的晚西方紀(jì)到早亞馬遜紀(jì),可能與烏托邦平原南部的大型洪水活動有關(guān)。
        除了分層特征之外,雷達剖面的另一個重要結(jié)構(gòu)特征是各層之間的平滑過渡。這表明,在祝融著陸區(qū)下方80米深度范圍內(nèi),來自埃律西昂火山噴發(fā)或某些晚期火山作用產(chǎn)生的原始玄武巖層可能缺失或太薄,以至無法在隨后的火表改造事件中保留下來。
        祝融火星車次表層探測雷達的主要目標(biāo)之一是探測烏托邦平原南部現(xiàn)今是否存在地下水/冰。如果存在富水層,雷達信號會被強烈衰減,降低探測深度。低頻雷達成像結(jié)果顯示,0-80米深度范圍內(nèi)信號強度穩(wěn)定,不存在富水層。此外,本研究反演約束的介質(zhì)介電常數(shù)較低(不超過9),不同于含水物質(zhì)通常具有的高介電常數(shù)(大于15),因此排除了巡視路徑下方含有富水層的可能性。熱模擬結(jié)果也進一步表明,液態(tài)水、硫酸鹽或碳酸鹽鹵水難以在祝融號著陸區(qū)淺表100米之上穩(wěn)定存在。但由于硫酸鹽或碳酸鹽鹽冰的介電常數(shù)(2.5-8)與巖性材料相當(dāng),目前無法排除淺層存在鹽冰的可能性。

        烏托邦平原南部火表改造模型圖。(a)晚西方紀(jì)至早亞馬遜紀(jì)發(fā)生了大型洪水事件,隨著洪水消退,形成了向上變細的礫巖沉積序列,比例尺為20米;(b)亞馬遜紀(jì)短時洪水、長期風(fēng)化或重復(fù)撞擊作用改造了火表,形成了由小石塊堆疊構(gòu)成的向上變細的沉積層序;(c)近代火星高傾角自轉(zhuǎn)導(dǎo)致液態(tài)水流失到高緯地區(qū),形成現(xiàn)今干燥的火壤層,火表以風(fēng)成沉積和侵蝕過程為主

        相關(guān)圖像展示出烏托邦盆地地下約70米厚的多層結(jié)構(gòu),被覆蓋在不足10米厚的風(fēng)化層之下。地表風(fēng)化層由松散的巖石和塵土組成。
        研究人員指出,層狀結(jié)構(gòu)或說明,這一盆地在晚赫斯伯利亞紀(jì)(Late Hesperian)至亞馬遜紀(jì)(Amazonian)間經(jīng)歷了偶發(fā)的洪水。
        研究人員強調(diào),盡管目前僅有祝融號的雷達數(shù)據(jù)無法提供在烏托邦盆地80米底層中存在液態(tài)水的直接證據(jù),但還不能排除含鹽冰的存在。
        稍早前,2022年9月19日晚,國際學(xué)術(shù)期刊《自然-地球科學(xué)》在線發(fā)表的論文稱,美國國家航空航天局(NASA)“洞察號”(InSight)著陸器探測到了火星上由流星體撞擊事件引起的地震波,并由NASA的火星勘測軌道飛行器(Mars Reconnaissance Orbiter)將其源頭追溯到相關(guān)的、新形成的撞擊坑。該研究首次探測到另一個星球上由撞擊產(chǎn)生的地震波和聲波,且發(fā)現(xiàn)了相關(guān)的源撞擊坑。
        2021年5月15日,“天問一號”探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū),我國首次火星探測任務(wù)著陸火星取得成功?;鹦擒嚱⒘藢Φ赝ㄐ拧?br/>2021年5月17日,環(huán)繞器實施第四次近火制動,進入中繼通信軌道,為火星車建立穩(wěn)定的中繼通信鏈路,陸續(xù)傳回圖像數(shù)據(jù)。
        2021年5月22日,“祝融號”火星車已安全駛離著陸平臺,到達火星表面,開始巡視探測。
        2021年6月7日,國家航天局發(fā)布天問一號任務(wù)著陸區(qū)域高分影像圖,圖像中天問一號著陸平臺、“祝融號”火星車及周邊區(qū)域情況清晰可見。
        2021年6月11日,國家航天局公布了“祝融號”火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌、“中國印跡”和“著巡合影”等影像圖。首批科學(xué)影像圖的發(fā)布標(biāo)志著我國首次火星探測任務(wù)取得圓滿成功。至此,我國首次火星探測任務(wù)一次性完成了“繞、著、巡”三步。
        論文DOI: 10.1038/s41586-022-05147-5

        本文標(biāo)簽: 火星  祝融  撞擊坑  行星  液態(tài)水