“祝融号”巡视雷达揭秘火星乌托邦平原浅表结构

2021年5月，我国首次火星探测任务天问一号携带的“祝融号”火星车在乌托邦平原南部预选着陆区着陆，开启巡视探测工作。乌托邦平原是火星最大的撞击盆地，曾经可能是一个古海洋，预示着火星早期可能存在过宜居环境。
这里的地质如何演化？现今具有怎样的地下结构？新京报记者今天（9月26日）从中国科学院地质与地球物理研究所火星研究团队获悉，科研人员研究发现，着陆区火星表面数米厚的风化层下存在两套向上变细的沉积层序，提供了火星可能长期存在水活动的观测证据。当前，该区域火星表面以下0-80米未发现液态水存在的证据，但不排除存在盐冰的可能。相关研究结果于北京时间9月26日晚在国际学术期刊《自然》杂志发表。


中科院地质与地球物理研究所研究员陈凌正在介绍此次研究的有关成果。任晖 摄
火星乌托邦平原首次实施雷达探测，深度达80米
火星地势南高北低，乌托邦平原位于火星北部，是火星最大的撞击盆地，此前研究显示，这里曾经可能是一个古海洋，气候温暖湿润，现今非常寒冷干燥。中科院国家空间科学中心研究员刘洋说，着陆区有很多地貌特征，比如壁垒撞击坑、凹锥、不同尺度的多边形等，这些都显示过去这里是有水的。“和月球上的撞击坑不一样，如果火星上的撞击坑周围有薄饼状的特征，就表明在撞击时，这里曾经有冰或者水。”
这些水是如何消失的呢？详细的火星地下结构和物性信息是研究火星地质及其宜居环境演化的关键依据，是火星探测的重要内容。“祝融号”火星车携带了六大科学载荷，其中，次表层探测雷达能够对巡视区地下浅层结构进行精细成像，深化人们对乌托邦平原演化、地下水或冰分布等关键科学问题的认识。
据中科院地质与地球物理研究所研究员陈凌介绍，“祝融号”火星车搭载的次表层探测雷达实施了世界上首次在火星乌托邦平原的巡视器雷达探测。到目前为止，人类在地外天体上共开展了四次巡视雷达探测。其中，我国嫦娥三号和嫦娥四号分别实现了对月球正面和背面浅表结构的精细探测。美国“毅力号”和我国“祝融号”火星车于2021年先后开启了火星巡视雷达探测。“毅力号”的探测区域为杰泽罗撞击坑边缘，其实际最大探测深度为15米。“祝融号”火星车探测区域为乌托邦平原南部，雷达频带较宽，其实际最大探测深度达80米。
解译雷达数据，获得火星可能长期存在水活动的观测证据
由国家航天局探月与航天工程中心发布的“天问一号”科学探测数据，为开展火星研究提供了坚实的数据保障。去年9月至11月，科研人员获得了四批火星车雷达数据。陈凌说，其中低频雷达通道的数据探测深度达100米左右，分辨率是米级。高频雷达探测深度约为10米，分辨率是厘米级。
此次，科研人员对前113个火星日、探测长度达1171米的“祝融号”火星车低频雷达数据展开了分析。“然而原始低频雷达数据总共有2945道，肉眼可见的信号都是噪声，需要仔细分析。”陈凌说，为了从数据中提取信息并分析，去年科研人员用了一个多月的时间商讨解决思路，最终确定了雷达数据的解译步骤，包括去背景、去噪、偏移、数值模拟验证等，共有13步之多。


2021年10月-11月，研究团队成员每天交流数据分析进展、提出问题，并商讨解决思路。受访者供图
据中科院地质与地球物理研究所研究员张金海介绍，航天科学探测仪器必须符合火箭运载对质量、体积和功耗等方面的严格要求，但又必须满足探测精度需求。因此，需要在地面充分分析仪器的噪声特性，开展详尽的地面实验; 与此同时，须有针对性地研发信号处理新方法，从而将有效信号识别并分离出来。研究团队根据嫦娥三号和四号任务中积累的丰富经验，针对火星环境的特殊性，建立了可靠的数据处理和成像流程，成功将地下深部微弱信号分离出来。
“80米以下雷达信号很弱，表示雷达可能到达探测深度极限。”陈凌说，通过数据分析，科研人员获得了浅表80米之上的高精度结构分层图像和地层物性信息，发现该区域数米厚的火壤层之下存在两套沉积层序。
第一套层序位于地下约10-30米，含有较多石块，其粒径随深度逐渐增大。“距今大约16亿年以来的短时洪水、长期风化或重复陨石撞击作用，可能导致了这一套向上变细沉积层序的形成。”她说，第二套层序位于地下约30-80米，其石块粒径更大，可达米级，且分布更为杂乱，反映了更古老、更大规模的火星表面改造事件。基于此前的撞击坑统计定年结果推测，这次改造事件可能发生在距今35亿-32亿年，与乌托邦平原南部的大型洪水活动有关。
陈凌说，多层结构反映的是一个相对复杂的演化过程。“以前的研究认为，火星从古到今是从湿变干的，我们的研究发现，火星并不是简单地向着干旱的气候环境改变。在其晚期整体干旱的背景下，可能还会有短时与水活动相关的过程，使火星表面经历多期次改造。”
目前“祝融号”巡视区地下0-80米未发现液态水
“祝融号”火星车次表层探测雷达的主要目标之一是探测乌托邦平原南部现今是否存在地下水或冰。
低频雷达成像结果显示，0-80米深度范围内反射信号强度稳定，介质具有较低的介电常数（3-7），“这些特征不支持巡视路径下方含有富水层的可能，因为如果存在液态水，介电常数至少要达到15”。陈凌说，另一方面，如果存在液态水，雷达信号衰减比较强，很难在七八十米的深度探测到强反射。
科研人员还计算了“祝融号”巡视区地下1-100米的年平均温度，在220K左右，远低于水的冰点和含有硫酸盐、碳酸盐等卤水的共晶温度。这表明，液态水、硫酸盐或碳酸盐卤水难以在“祝融号”火星车着陆区地下100米之内稳定存在，但目前无法排除盐冰存在的可能性。
陈凌说，目前火星车上的雷达探测深度有限，还不能探测到80米之下的地层，期待“天问一号”轨道雷达探测数据发布后，可以对更深部的结构进行研究。“我们也希望国家将来能在火星上布设火震仪，通过天然的火震观测研究从浅到深的地下结构。”
她同时透露，目前团队已经获得了11批雷达数据，正在处理中。目前“祝融号”火星车遇强烈沙尘天气，进入休眠模式，休眠结束后，火星车还会继续往南行进，届时将得到更多的数据。
公众对移民火星颇为好奇，火星是否会成为宜居之地？对此，刘洋认为，移民火星需要大量水资源，水也可以间接提供其他能源。目前乌托邦平原地下80米内没有发现液态水，但火星表面含有大量的含水矿物，这些水可以提取出来。“大家对星球的气压、温度等信息非常关注，想了解未来是否可以居住。我们研究的是火星地下结构，更像是火星考古。”张金海称，科研人员通过研究火星历史上的气候变化过程，有望推测火星甚至地球未来环境和气候的变化。
新京报记者 张璐
编辑 陈静 校对 贾宁