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距離地球5500萬公里到4億公里的火星可能長(zhǎng)期存在水活動(dòng)？火星地下的地層結(jié)構(gòu)什么樣？
祝融號(hào)、鳳凰號(hào)、洞察號(hào)、好奇號(hào)、毅力號(hào)和海盜號(hào)等人類六臺(tái)火星車在不同的時(shí)間登陸火星，探測(cè)這個(gè)遙遠(yuǎn)的星球。
9月26日23時(shí)，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表論文公布了中國(guó)“祝融號(hào)”火星車的新雷達(dá)圖像，這是世界上首次在火星烏托邦平原實(shí)施的巡視器雷達(dá)探測(cè)，也是45年來該區(qū)域的首份新探測(cè)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(guó)海盜2號(hào)探測(cè)器在烏托邦平原北部登陸并首次實(shí)施了著陸探測(cè)，但未能探明地下結(jié)構(gòu)。
火星高空軌道雷達(dá)雖然可以探測(cè)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(duì)于淺表百米以內(nèi)幾乎沒有分辨能力。
2021年，中國(guó)首次火星任務(wù)中的“天問一號(hào)”攜帶的“祝融號(hào)”火星車成功著陸，此后在火星烏托邦平原上穿行?！白Ｈ谔?hào)”火星車次表層探測(cè)雷達(dá)能夠有效對(duì)巡視區(qū)地下淺層結(jié)構(gòu)成像，深化我們對(duì)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(shí)。

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

中國(guó)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(guó)祝融火星車低頻雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過精細(xì)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(zhǎng)期存在水活動(dòng)的觀測(cè)證據(jù)，為深入認(rèn)識(shí)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(guó)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(hào)從著陸地點(diǎn)行進(jìn)約1117米收集到的探地雷達(dá)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(gè)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(jìn)我們對(duì)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(gè)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(duì)火星水體演化的認(rèn)識(shí)。
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)首次實(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)巡視器于2021年開啟了火星雷達(dá)巡視探測(cè)的新紀(jì)元。毅力號(hào)的探測(cè)區(qū)域?yàn)榻軡闪_撞擊坑邊緣，受限于雷達(dá)主頻（150-1200 MHz），其實(shí)際最大探測(cè)深度僅為15米。與毅力號(hào)雷達(dá)相比，祝融號(hào)高頻雷達(dá)的頻率更高（450-2150 MHz），低頻雷達(dá)的頻率更低（15-95 MHz），這使得高頻雷達(dá)對(duì)約0-5米深度的淺表目標(biāo)能夠看得更“細(xì)致”，低頻雷達(dá)對(duì)地下目標(biāo)看得更“深入”，實(shí)際最大探測(cè)深度達(dá)80米。
中國(guó)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(tuán)隊(duì)，聯(lián)合國(guó)家空間科學(xué)中心和北京大學(xué)等科研人員，對(duì)祝融火星車前113個(gè)火星日采集的長(zhǎng)度約1171米的低頻雷達(dá)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(dá)數(shù)據(jù)成像結(jié)果及解譯。（a）低頻雷達(dá)剖面；（b）巖性地層；（c）平均介電常數(shù)隨深度的變化。白色實(shí)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(jì)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(qiáng)，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(qiáng)的模式變化特征，但反射相對(duì)更強(qiáng)、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(dá)米級(jí)）且分布更為雜亂。此外，未觀測(cè)到清晰的第三層底界面，這或是因?yàn)樵搶拥撞坎淮嬖诮殡姵?shù)對(duì)比明顯的介質(zhì)物性變化，或是雷達(dá)反射能量在約80米的深度已經(jīng)非常微弱，達(dá)到探測(cè)極限。
將雷達(dá)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(shí)：
（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(shí)洪水、長(zhǎng)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(xì)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(jì)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(dòng)有關(guān)。
除了分層特征之外，雷達(dá)剖面的另一個(gè)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(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/冰。如果存在富水層，雷達(dá)信號(hào)會(huì)被強(qiáng)烈衰減，降低探測(cè)深度。低頻雷達(dá)成像結(jié)果顯示，0-80米深度范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)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(jìn)一步表明，液態(tài)水、硫酸鹽或碳酸鹽鹵水難以在祝融號(hào)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(xì)的礫巖沉積序列，比例尺為20米；（b）亞馬遜紀(jì)短時(shí)洪水、長(zhǎng)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(xì)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(qiáng)調(diào)，盡管目前僅有祝融號(hào)的雷達(dá)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(guó)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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“洞察號(hào)”（InSight）著陸器探測(cè)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(cè)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(cè)到另一個(gè)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(hào)”探測(cè)器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得成功?；鹦擒嚱⒘藢?duì)地通信。
2021年5月17日，環(huán)繞器實(shí)施第四次近火制動(dòng)，進(jìn)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(hào)”火星車已安全駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開始巡視探測(cè)。
2021年6月7日，國(guó)家航天局發(fā)布天問一號(hào)任務(wù)著陸區(qū)域高分影像圖，圖像中天問一號(hào)著陸平臺(tái)、“祝融號(hào)”火星車及周邊區(qū)域情況清晰可見。
2021年6月11日，國(guó)家航天局公布了“祝融號(hào)”火星車拍攝的著陸點(diǎn)全景、火星地形地貌、“中國(guó)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(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿成功。至此，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)一次性完成了“繞、著、巡”三步。
論文DOI: 10.1038/s41586-022-05147-5