2024 年 2 月 28 日

 

• 北極佈滿灰塵的冰層代表了火星的氣候檔案。
• 火星的北極被三公里厚的「塵埃冰蓋」覆蓋。
• 數千公尺高的懸崖可以欣賞地質結構的景色。
• 重點：太空旅行、行星研究、火星

 

這些影像來自歐空局火星快車太空船上德國航空航天中心 (DLR) 開發和操作的高解析度立體相機 (HRSC)，顯示了火星北極地區的一部分。幾個高達 1,000 公尺的陡峭懸崖標誌著北極冰蓋與周圍較低地形和大沙丘區之間的邊界。它們的層數代表了火星上的一種氣候檔案，可以得出有關火星地質歷史的結論。

自 2004 年以來，HRSC 一直在繪製高解析度、三維和彩色的火星地圖。您的資料是目前和未來火星研究的重要資源。研究南北高緯度地區及其季節性增長和收縮的冰蓋，對於破解地球近期的地質歷史和當前的大氣過程尤其重要。

 

火星表面隨季節變化而變化

火星的永久北極冰蓋是由水冰和塵埃堆積而成，厚度達三公里，直徑約 1,000 公里。它被分成四個不同厚度的“包”，這些“包”相互堆疊，進而由更精細的層組成。這些層包含有關火星歷史數百萬年前的氣候資訊。這些沉積物是由大氣中的灰塵和水冰（以雪的形式）降水以及直接霜凝結形成的。它們主要由水冰組成，細塵沉積物的比例在 10% 到 15% 之間。

它們可能反映了火星軌道的變化和行星自轉軸傾斜的變化，其方向比地球更不穩定。它以幾個週期變化，週期從幾千年到幾百萬年不等。由於太陽輻射的不同，氣候變化很大，尤其是兩極。目前，據信北極冰蓋正在成長。

在為期六個月的火星冬季，永久水冰蓋上會形成一層額外的二氧化碳冰，這些冰從大氣中沉澱出來，並在夏季完全昇華到大氣中。由於火星的自轉軸與繞太陽的軌道相比傾斜了 25 度（地球約 23 度），因此火星也有明顯的季節。然而，由於軌道周期為兩年，它們的長度是地球上的兩倍。就像我們在南極洲和北極一樣，極地的夜晚很長，溫度高達攝氏-130度。所顯示的影像拍攝於去年春天的北半球，目前極夜盛行，冬至日為 2024 年 6 月 7 日。

極冠本身呈現出光滑原始的表面，有一些可見的層，但沒有撞擊坑。這意味著表面非常年輕，很可能每年都會被一層灰塵覆蓋。

 

火星北極非凡的“旋臂”

影像中還清晰可見兩個半圓形懸崖，其中較大的一個直徑達 20 公里。它們位於所謂的極地槽中，這是由風的侵蝕力所造成的形態特徵。這些順時針方向的海槽形成了極地高原特有的螺旋圖案。

這些 HRSC 影像中的懸崖顯示了垂直的層狀冰牆，某些地方的高度超過一公里。投射出的強烈陰影說明了它們的陡峭。當觀看 3D 影像時，這一點變得特別清晰。在懸崖腳下可以看到明顯的侵蝕痕跡，露出更多的岩層。槽內的區域點綴著大片冰霜覆蓋的沙丘地帶。如果沙丘沒有被一層白霜覆蓋，它們就會呈現深灰黑色。

 

火星沙丘的地質特徵

圖片中顯示的細長沙丘場總共延伸超過150公里。很明顯，形成這個沙丘場的沙子來自這裡可見的大懸崖上的極地沉積物的侵蝕。從沙丘的形態也可以看出沙子從懸崖向南輸送的方向。場景中這個更大、更南的沙丘地沒有被一層霜覆蓋，而是被一層薄薄的灰塵覆蓋，這導致沙丘地呈現棕色。北極地區更遠的地方有所謂的奧林匹亞雲達（Olympia Undae），即“奧林匹亞之波”，這是另一個巨大的沙丘場，在北緯78 度至83 度之間延伸，面積達47 萬平方公里。這個面積大約相當於整個巴爾幹半島的大小。黑暗的沙丘區域在火星上非常常見，例如在眾多撞擊坑的底部。然而，北極的沙丘因其礦物成分而顯得特殊。

早在2005 年，火星快車軌道飛行器抵達火星後不久，一台名為OMEGA（Observatoire pour la Minéralogie、l'Eau、les Glaces et l'Activité）的用於確定火星表面礦物學的光譜儀就發現了高濃度的奧林匹亞烏達沙丘上的石膏（晶格中含有水分子的硫酸鈣）。這些沙丘因其獨特的石膏成分、靠近極地冰沉積物及其季節變化而成為令人著迷的研究對象。NASA 火星勘測軌道飛行器上的火星相機 HiRISE（高解析度成像科學實驗）自 2006 年以來一直在記錄高解析度影像（但與 HRSC 不同，不是 3D 影像，也不是大面積覆蓋影像）。北極附近陡峭、分層的斜坡的一幅特別令人印象深刻的圖像是2014 年 5 月拍攝的這張滑落巨石的場景。

 

影像處理

這些影像是由HRSC（高解析度立體相機）於 2023 年 4 月 14 日在火星快車軌道 24354 期間拍攝的。影像解析度約為每像素 21 公尺。影像中心約為東經 231 度、北緯 84 度。

顏色視圖是從垂直指向火星表面的最低點通道和 HRSC 的顏色通道創建的，透視傾斜視圖是根據 HRSC 的立體通道計算的。3D 影像（浮雕影像）是從最低點通道和立體通道導出的，當使用紅藍或紅綠眼鏡觀看時，它會給出景觀的三維印象。以彩虹顏色編碼的監督是基於該地區的數位地形模型（DTM），可以從中導出景觀的地形。HRSC-DTM 的參考體是火星的等位面（areoid）。相機資料在 DLR 行星研究所進行系統處理。柏林自由大學行星學和遙感系的員工創建了此處所示的圖像產品。

 

[照片]

(A) 奧林匹亞高原的沙丘場

由強烈季風形成的沙丘覆蓋了奧林匹亞高原的廣闊平原。沙丘的沙子源自懸崖，懸崖有時高達一千米，由冰、沙和灰塵的夾層組成。因此，在約30公里寬的台地上，懸崖上方看不到沙丘。地形的邊緣由永久北極帽的冰組成，大部分地方都覆蓋著灰塵，大部分沙丘也是如此，導致該場景中的地形呈現棕色色調。再往北，在影像的背景中，您可以看到一個較小的沙丘場，上面覆蓋著淺白霜，它也起源於附近的地形邊緣。

(B) 奧林匹亞高原的沙丘場、冰和沈積物

沙丘沙可能起源於當地懸崖的層狀沉積物。流淌出來的沙子被風捲起，在畫面左半部的平原上形成了一大片沙丘。在影像的右側背景中，您可以看到兩個較小的沙丘地帶，上面覆蓋著輕霜，它們的起源也位於地形的附近邊緣。

(C) 火星：北極西部地區地形圖

火星北極冠距火星北部低地高出四千米，直徑約 1,100 公里。 雷達測量顯示，永久冰蓋的平均厚度約為兩公里，體積略多於格陵蘭冰蓋的一半。 冰蓋被認為相對年輕，主要由水冰組成，冬季含有大量二氧化碳冰。 在350天的極夜期間，大約四分之一的二氧化碳大氣在北極上空凍結，以乾冰的形式滴落到火星北半球，並將冰蓋從極地延伸到緯度60度。 這裡顯示的奧林匹亞平原（「奧林匹克平原」）的場景是 2023 年 4 月 14 日由歐空局火星快車探測器上的 DLR 火星相機 HRSC 在其第 24,354 次飛行期間拍攝的。 記錄了繞火星的軌道。

(D) 奧林匹亞平面：真彩色頂視圖

火星北極附近奧林匹亞平原的這一部分景觀看起來就像藝術家的水彩畫，不同層次的梯田具有微妙的漸變柔和色調。它是由 DLR 立體相機 HRSC 於 2023 年 4 月在火星北半球初春時拍攝到的。南北範圍（左起）約250公里，影像中心的東西範圍約為100公里。其面積略大於黑森州的面積。圖片左半部廣闊的沙丘場長超過150公里，並向南延伸（左）。火星北極周圍的此類沙丘場與所謂的爾格（ergs）有一些相似之處，爾格是地球上的大型沙漠，例如在撒哈拉沙漠和阿拉伯半島發現的沙漠。火星北極附近的奧林匹亞烏代沙漠沙丘面積達 47 萬平方公里，與沙烏地阿拉伯的魯布查利 (Rub Al-Chali) 沙丘面積相當。

(E) 奧林匹亞平原：彩色頂視圖及說明

在這張位於北緯約80 度的火星奧林匹亞平原地區的垂直頂視圖中，標記了本圖像出版物隨附文本中描述的一些景觀：一片約150 公里長的黑暗沙丘地帶，部分被微紅色塵埃覆蓋（'大沙丘場'); 極光滑的冰原（“光滑表面”）； 層狀沉積物和大約一公里高的陡峭懸崖，近海沙丘部分被白霜覆蓋（「陡峭的懸崖和霜凍沙丘場」）。 場景的影像解析度為每像素 21 公尺。

(F) 奧林匹亞高原：地形圖

火星快車上的 DLR 立體相機 HRSC 使用九個感測器從不同角度記錄火星表面。德國航太中心行星研究所和柏林自由大學的科學家團隊使用兩個傾斜向前和向後指向火星表面的立體聲通道以及垂直指向火星的最低點通道來計算數字地形模型，為每個圖像點分配高度信息。高度值可以從影像右上角的色標中讀取。它們與隕石坑有關，隕石坑是一個與火星相同引力的假想表面。冰蓋的梯田結構清晰可見，緊接在後的是圖片左側的奧林匹亞高原的水平面。從南邊（圖中左）到北邊，海拔相差超過3000公尺。

(G) 奧林匹亞高原陡峭邊緣的 3D 視圖

所謂的立體影像可以從 ESA 火星快車探測器上的 DLR 操作的 HRSC 相機系統的最低通道生成，該系統垂直指向火星表面，以及四個傾斜的立體通道之一。當使用紅藍或紅綠眼鏡時，它們可以實現景觀的三維視圖，並為觀眾提供高度差的空間概念。這樣看來，極冠從奧林匹亞平原向北極（位於圖的右側）的梯田式上升，高達千米的懸崖十分壯觀，但也有細微的差別。該地區沙丘或沉積層的高度是可識別的。