當(dāng)前關(guān)注：“祝融號(hào)”巡視雷達(dá)揭秘火星烏托邦平原淺表結(jié)構(gòu)

2021年5月，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)攜帶的“祝融號(hào)”火星車在烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，開啟巡視探測(cè)工作。烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地，曾經(jīng)可能是一個(gè)古海洋，預(yù)示著火星早期可能存在過(guò)宜居環(huán)境。

(資料圖片)

這里的地質(zhì)如何演化？現(xiàn)今具有怎樣的地下結(jié)構(gòu)？新京報(bào)記者今天（9月26日）從中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所火星研究團(tuán)隊(duì)獲悉，科研人員研究發(fā)現(xiàn)，著陸區(qū)火星表面數(shù)米厚的風(fēng)化層下存在兩套向上變細(xì)的沉積層序，提供了火星可能長(zhǎng)期存在水活動(dòng)的觀測(cè)證據(jù)。當(dāng)前，該區(qū)域火星表面以下0-80米未發(fā)現(xiàn)液態(tài)水存在的證據(jù)，但不排除存在鹽冰的可能。相關(guān)研究結(jié)果于北京時(shí)間9月26日晚在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。

中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員陳凌正在介紹此次研究的有關(guān)成果。任暉 攝

火星烏托邦平原首次實(shí)施雷達(dá)探測(cè)，深度達(dá)80米

火星地勢(shì)南高北低，烏托邦平原位于火星北部，是火星最大的撞擊盆地，此前研究顯示，這里曾經(jīng)可能是一個(gè)古海洋，氣候溫暖濕潤(rùn)，現(xiàn)今非常寒冷干燥。中科院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員劉洋說(shuō)，著陸區(qū)有很多地貌特征，比如壁壘撞擊坑、凹錐、不同尺度的多邊形等，這些都顯示過(guò)去這里是有水的。“和月球上的撞擊坑不一樣，如果火星上的撞擊坑周圍有薄餅狀的特征，就表明在撞擊時(shí)，這里曾經(jīng)有冰或者水。”

這些水是如何消失的呢？詳細(xì)的火星地下結(jié)構(gòu)和物性信息是研究火星地質(zhì)及其宜居環(huán)境演化的關(guān)鍵依據(jù)，是火星探測(cè)的重要內(nèi)容。“祝融號(hào)”火星車攜帶了六大科學(xué)載荷，其中，次表層探測(cè)雷達(dá)能夠?qū)ρ惨晠^(qū)地下淺層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)成像，深化人們對(duì)烏托邦平原演化、地下水或冰分布等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

據(jù)中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員陳凌介紹，“祝融號(hào)”火星車搭載的次表層探測(cè)雷達(dá)實(shí)施了世界上首次在火星烏托邦平原的巡視器雷達(dá)探測(cè)。到目前為止，人類在地外天體上共開展了四次巡視雷達(dá)探測(cè)。其中，我國(guó)嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球正面和背面淺表結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測(cè)。美國(guó)“毅力號(hào)”和我國(guó)“祝融號(hào)”火星車于2021年先后開啟了火星巡視雷達(dá)探測(cè)。“毅力號(hào)”的探測(cè)區(qū)域?yàn)榻軡闪_撞擊坑邊緣，其實(shí)際最大探測(cè)深度為15米。“祝融號(hào)”火星車探測(cè)區(qū)域?yàn)闉跬邪钇皆喜浚走_(dá)頻帶較寬，其實(shí)際最大探測(cè)深度達(dá)80米。

解譯雷達(dá)數(shù)據(jù)，獲得火星可能長(zhǎng)期存在水活動(dòng)的觀測(cè)證據(jù)

由國(guó)家航天局探月與航天工程(603698)中心發(fā)布的“天問(wèn)一號(hào)”科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)，為開展火星研究提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)保障。去年9月至11月，科研人員獲得了四批火星車?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)。陳凌說(shuō)，其中低頻雷達(dá)通道的數(shù)據(jù)探測(cè)深度達(dá)100米左右，分辨率是米級(jí)。高頻雷達(dá)探測(cè)深度約為10米，分辨率是厘米級(jí)。

此次，科研人員對(duì)前113個(gè)火星日、探測(cè)長(zhǎng)度達(dá)1171米的“祝融號(hào)”火星車低頻雷達(dá)數(shù)據(jù)展開了分析。“然而原始低頻雷達(dá)數(shù)據(jù)總共有2945道，肉眼可見的信號(hào)都是噪聲，需要仔細(xì)分析。”陳凌說(shuō)，為了從數(shù)據(jù)中提取信息并分析，去年科研人員用了一個(gè)多月的時(shí)間商討解決思路，最終確定了雷達(dá)數(shù)據(jù)的解譯步驟，包括去背景、去噪、偏移、數(shù)值模擬驗(yàn)證等，共有13步之多。

2021年10月-11月，研究團(tuán)隊(duì)成員每天交流數(shù)據(jù)分析進(jìn)展、提出問(wèn)題，并商討解決思路。受訪者供圖

據(jù)中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員張金海介紹，航天科學(xué)探測(cè)儀器必須符合火箭運(yùn)載對(duì)質(zhì)量、體積和功耗等方面的嚴(yán)格要求，但又必須滿足探測(cè)精度需求。因此，需要在地面充分分析儀器的噪聲特性，開展詳盡的地面實(shí)驗(yàn); 與此同時(shí)，須有針對(duì)性地研發(fā)信號(hào)處理新方法，從而將有效信號(hào)識(shí)別并分離出來(lái)。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)嫦娥三號(hào)和四號(hào)任務(wù)中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)火星環(huán)境的特殊性，建立了可靠的數(shù)據(jù)處理和成像流程，成功將地下深部微弱信號(hào)分離出來(lái)。

“80米以下雷達(dá)信號(hào)很弱，表示雷達(dá)可能到達(dá)探測(cè)深度極限。”陳凌說(shuō)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，科研人員獲得了淺表80米之上的高精度結(jié)構(gòu)分層圖像和地層物性信息，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域數(shù)米厚的火壤層之下存在兩套沉積層序。

第一套層序位于地下約10-30米，含有較多石塊，其粒徑隨深度逐漸增大。“距今大約16億年以來(lái)的短時(shí)洪水、長(zhǎng)期風(fēng)化或重復(fù)隕石撞擊作用，可能導(dǎo)致了這一套向上變細(xì)沉積層序的形成。”她說(shuō)，第二套層序位于地下約30-80米，其石塊粒徑更大，可達(dá)米級(jí)，且分布更為雜亂，反映了更古老、更大規(guī)模的火星表面改造事件。基于此前的撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年結(jié)果推測(cè)，這次改造事件可能發(fā)生在距今35億-32億年，與烏托邦平原南部的大型洪水活動(dòng)有關(guān)。

陳凌說(shuō)，多層結(jié)構(gòu)反映的是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的演化過(guò)程。“以前的研究認(rèn)為，火星從古到今是從濕變干的，我們的研究發(fā)現(xiàn)，火星并不是簡(jiǎn)單地向著干旱的氣候環(huán)境改變。在其晚期整體干旱的背景下，可能還會(huì)有短時(shí)與水活動(dòng)相關(guān)的過(guò)程，使火星表面經(jīng)歷多期次改造。”

目前“祝融號(hào)”巡視區(qū)地下0-80米未發(fā)現(xiàn)液態(tài)水

“祝融號(hào)”火星車次表層探測(cè)雷達(dá)的主要目標(biāo)之一是探測(cè)烏托邦平原南部現(xiàn)今是否存在地下水或冰。

低頻雷達(dá)成像結(jié)果顯示，0-80米深度范圍內(nèi)反射信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定，介質(zhì)具有較低的介電常數(shù)（3-7），“這些特征不支持巡視路徑下方含有富水層的可能，因?yàn)槿绻嬖谝簯B(tài)水，介電常數(shù)至少要達(dá)到15”。陳凌說(shuō)，另一方面，如果存在液態(tài)水，雷達(dá)信號(hào)衰減比較強(qiáng)，很難在七八十米的深度探測(cè)到強(qiáng)反射。

科研人員還計(jì)算了“祝融號(hào)”巡視區(qū)地下1-100米的年平均溫度，在220K左右，遠(yuǎn)低于水的冰點(diǎn)和含有硫酸鹽、碳酸鹽等鹵水的共晶溫度。這表明，液態(tài)水、硫酸鹽或碳酸鹽鹵水難以在“祝融號(hào)”火星車著陸區(qū)地下100米之內(nèi)穩(wěn)定存在，但目前無(wú)法排除鹽冰存在的可能性。

陳凌說(shuō)，目前火星車上的雷達(dá)探測(cè)深度有限，還不能探測(cè)到80米之下的地層，期待“天問(wèn)一號(hào)”軌道雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布后，可以對(duì)更深部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。“我們也希望國(guó)家將來(lái)能在火星上布設(shè)火震儀，通過(guò)天然的火震觀測(cè)研究從淺到深的地下結(jié)構(gòu)。”

她同時(shí)透露，目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得了11批雷達(dá)數(shù)據(jù)，正在處理中。目前“祝融號(hào)”火星車遇強(qiáng)烈沙塵天氣，進(jìn)入休眠模式，休眠結(jié)束后，火星車還會(huì)繼續(xù)往南行進(jìn)，屆時(shí)將得到更多的數(shù)據(jù)。

公眾對(duì)移民火星頗為好奇，火星是否會(huì)成為宜居之地？對(duì)此，劉洋認(rèn)為，移民火星需要大量水資源，水也可以間接提供其他能源。目前烏托邦平原地下80米內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)液態(tài)水，但火星表面含有大量的含水礦物，這些水可以提取出來(lái)。“大家對(duì)星球的氣壓、溫度等信息非常關(guān)注，想了解未來(lái)是否可以居住。我們研究的是火星地下結(jié)構(gòu)，更像是火星考古。”張金海稱，科研人員通過(guò)研究火星歷史上的氣候變化過(guò)程，有望推測(cè)火星甚至地球未來(lái)環(huán)境和氣候的變化。

新京報(bào)記者 張璐

編輯 陳靜 校對(duì) 賈寧