海外文摘――MRO探秘火星

在火星勘测轨道飞行器“利眼”的审视下，火星向世人展示出了前所未见的天气、气候模式以及水和冰的复杂历史。

[图片说明]：MRO概念图。版权：NASA/JPL。
　　2009年3月中随着天空变得日渐昏暗，火星沙尘暴正在迫近。科学家和工程师们担心，两辆火星车“勇气”号和“机遇”号的终点也许即将来临。漫天飞舞的沙尘遮蔽了太阳，靠太阳能电池提供电力的两辆火星车开始失去能源。“勇气”号的能源下降了20%，“机遇”号的则下降了30%。但毕竟它们已经大大超额完成了任务。最初设计寿命只有3个月的两辆火星车双双都已经进入了第6个工作年头。

　　不过正犹如突然兴起一样，这场沙尘暴很快就平息了。到2009年5月中，阳光再一次穿透了火星稀薄的大气。火星车复苏，开始了新的探测活动。这两辆火星车的最大发现――火星表面曾经有液态水流淌――深藏在火星的过去。而现在火星探测的重点已经转移到了三个环绕火星的探测器身上：美国宇航局（NASA）的火星勘测轨道飞行器（MRO）、“火星奥德赛”以及欧洲空间局（ESA）的“火星快车”。由于“火星奥德赛”和“火星快车”已经是第三次延长了探测任务，因此MRO很自然地成为了“重中之重”。它探测了火星天气和气候的变化，并且发现了隐藏在火星地表之下的冰。综合2008年NASA的“凤凰”号火星着陆器的发现，新的这些发现绘制出了一幅火星过去和现在的动人画卷。

[图片说明]：2009年4月2日MRO上的火星彩色成像仪所拍摄的火星全球拼接照片。在照片的底部右下角可以看到火星南极季节性冰冠边缘的沙尘暴。这些扬起的尘埃甚至影响到了两辆火星车（MER-A：“勇气”号；MER-B：“机遇”号）的太阳能供应。版权：NASA/JPL-Caltech/MSSS。

极冠的变化

　　随着2009年初春天降临南半球，火星南极的冰冠发生了显著的变化。和地球不同，火星的两极都拥有一个永久冰冠和一个季节性冰冠。季节性冰冠由冬季从大气中凝固的二氧化碳而成。这些固态的二氧化碳（干冰）会在火星地表累积，深度达到大约1米。

　　春季太阳在火星天空中的位置越来越高，温度也开始回升，这些干冰就会从固体升华成气体。这一过程会同时发生在季节性极冠的表面和底部。束缚在冰冠下方气体的压强逐步升高，最终会从某个较薄弱的地方喷涌而出。

[图片说明]：MRO上的火星彩色成像仪在2009年3-4月间拍摄的火星南极极冠。版权：NASA/JPL-Caltech/MSSS。
　　但这一现象发生的时候，通常还会带出沉积在火星表面的尘埃。在某些地方，这些深色的物质为形成蜘蛛状的图案。在另一些地方，则会呈扇形。在一些地方变薄的极冠还能显露出其下方深色的地表。

　　MRO上的高分辨率成像科学实验（HiRISE）在2009年火星南半球春季期间捕捉到了所有这些特征。一些行星科学家通过研究这些照片希望进一步地了解火星凝固、融化过程的季节循环。另一些科学家则等待季节性冰冠的完全消失，这样他们就可以研究其下方的地貌。这是自2006年进入火星轨道以来MRO探察的第二个火星南半球春天。

地下水库

　　干冰激发起了火星科学家的兴趣，但水冰才是他们真正关注的。在过去的几个月里，科学家们在火星表面之下发现了大量的水冰。更令人兴奋的是，这些冰所能延伸的范围比先前想象中的更为靠近赤道。

　　科学家们使用MRO上的浅层地下雷达（SHARAD）来探测火星地表之下的情况。正是这些布满岩石的地表保护了其下方的水冰，因为任何暴露在火星稀薄大气中的冰都会在阳光的照射下迅速蒸发。

　　科学家们还仔细研究了“冲积扇”――山脉或者峭壁底部坡度较缓的沉积地带。发现火星南半球哈拉斯盆地周边的冲积扇中埋藏的冰川长达数十千米且厚度达到了800米，对北半球冲积扇的探测也得到了类似的结果。

[图片说明]：哈拉斯盆地东部一座山周围的冲击扇。MRO上的浅层地下雷达在类似地貌下发现了大量的水冰。本图由“火星快车”数据生成。版权：Ernst Hauber/DLR。

　　从20世纪70年代“海盗”号任务以来，科学家已经知道了火星上有冲积扇。但没有人知道这些特征是否是由水冰或者岩石碎片和少量水冰混合流动而形成的。SHARAD则揭开了其中的原委。雷达可以穿透这些冲积扇，反射回来的信号中不存在沉积物中岩石的回波，这说明冲积扇必定几乎完全是由水冰组成的。

　　尽管并非位于火星的两极，但所有这些地下的冰川却无疑是火星上最大的水冰储地。科学家们怀疑，这些冰川可能是上个冰河期覆盖火星中纬度地区冰原的遗迹。这些冰可以做为未来火星探测的水源，同时也为火星曾经拥有足以承载生命的水的想法提供了一定的支持。

揭示古代气候

　　这些地下的冰告诉了科学家一些火星的过去，而持续数百万年的气候循环则在火星其他地方的岩石中镌刻下了它们的印迹。HiRISE在火星阿拉伯地区的4个环形山沉积岩层中发现了有规律的图案。

　　在这些环形山中厚度相仿的沉积层多达数百层。在其中之一的贝克勒尔环形山中，一个以10层为一单位样式的沉积至少重复出现了10次。这一现象可能对应于火星自转轴倾角的变化，因为后者也经历了相似的循环变化。

　　这一发现源于HiRISE的立体图像，通过在轨道上以略微不同的角度观测同一地点，科学家们就能确定出每个层积层的厚度。在不知道地形的情况下，测量很容易出错。但有了立体信息之后，这些沉积层重复出现的模式就变得清晰可见。

[图片说明]：MRO上的HiRISE所拍摄的贝克勒尔环形山中的周期性沉积。版权：NASA/JPL-Caltech/University of Arizona。

　　这些沉积层受侵蚀的速度也各不相同。显然，外界环境中一些周期性的变化会影响沉积过程。侵蚀使得当地的地形呈现出了阶梯状，在那里较难侵蚀的物质会位于易侵蚀物质的上方。这些变化也许正反应出了由风所带来的颗粒的大小变化或者是当地状况和这些颗粒之间的联系。

　　目前火星自转轴相对于其轨道平面的倾角为25.2°。但这个值会在大约12万年的循环周期里变化10°。作为比较，由于地球拥有“体型”较大的卫星――月亮，正是它稳定住了地球的自转轴倾角，在4.1万年的时间其变化幅度仅为22.1°到24.5°。

　　科学家们认为每一层沉积都是在12万年的时间里形成的。而以10层为一个系列重复出现的模式则说明，在火星自转轴倾角变化周期的基础上还有一个与其成10:1、近120万年长的气候变化周期。而在贝克勒尔环形山所看到的十多个10层系列沉积则说明那里纪录下了火星1200万年的气候变化。

水的酸性检验

　　当一些科学家在利用火星表面的岩石来了解它过去气候的同时，另一些则在研究它的组成。当他们最近终于发现了一直在寻找的碳酸盐矿物时，这不仅意味着他们可以了解火星的成分，而且还预示着他们能知晓火星上的液态水和火星生命存在的可能性。

　　MRO上的小型火星勘测成像分光仪（CRISM）在艾西迪斯盆地周围的岩床中发现了这些碳酸盐。艾西迪斯盆地是一个撞击盆地，直径1,489千米，形成于36亿年前。

　　地球上的碳酸盐岩石形成于水和二氧化碳以及钙、铁或镁的相互作用。由于碳酸盐能迅速溶于酸，因此它们的存在对火星在大约35亿年前曾出现过多次强酸性天气的观点提出了挑战。而如果火星曾经多次拥有湿润的环境，它会增加生命出现的可能性。

[图片说明]：在这张CRISM照片中碳酸盐岩石呈绿色、橄榄石呈黄色。版权：NASA/JPL-Caltech/JHUAPL/MSSS/Brown University。

　　“凤凰”号火星着陆器在火星北极地区也发现了水。它收集了富含冰的土壤样本，经过分析发现确实含水。这并没有让人感到意外，不过在其着陆支撑腿上出现的一些小液滴则着实让人吃惊。

　　一些科学家认为这些液滴就是水滴。其他人则表示反对。“凤凰”号团队的科学家提出，在当地发现的高氯酸盐可以使得冰的熔点升高，进而产生水。随后的实验室实验证实了这一点。

　　事实上，“凤凰”号的科学家并没有料到会发现高氯酸盐。在地球上它存在于干燥的环境中，例如智利的沙漠。它对于生命来说既不好也不坏，但它着实使得我们重新思考对火星生命的看法。

近况和未来

　　“机遇”号目前仍在工作，但没人知道它们还能工作多久，目前它正在前往奋进环形山的途中。2009年5月“勇气”号陷入了松软的土壤之中，至今尚未“自拔”且已经停止了工作。

　　“火星奥德赛”自两辆火星车2004年着陆火星以来，一直为它们承担通讯中继工作。但从2009年11月28日起由于计算机内存错误，“火星奥德赛”便进入了“安全模式”，这使得探测器的运转被限制在了最小的层面。作为“火星奥德赛”最自然的后备，MRO在2009年8月26日今年第4次自发重启之后也一直处于“安全模式”待机。

　　对于“火星奥德赛”而言，类似的内存问题以前就发生过，因此并不是大问题，容易解决。但MRO的情况相对比较糟糕，恢复需要花更长的时间。技术人员发现，如果MRO上计算机接连两次重启的间隔小于1分钟的话，就会丢失所有数据。工程师们已经向MRO上传了一系列修改过的数据文件，它们会覆盖原来的默认数据。2009年12月8日终于从“安全模式”中恢复，在对所有仪器进行了系统检查之后，MRO又投入了科学运转。

　　由于都在超期服役，目前的火星探测舰队可谓是危机四伏，但新鲜血液的补充在短时间之内恐怕还难以实现。中国和俄罗斯的联合火星探测计划发射时间已经推迟到了2011年，而NASA和ESA的联合火星探测计划则不会早于2016年。

（本文已刊载于《太空探索》2010年第4期）