2024 年 10 月 30日
- 火星土壤的溫度及其在火星表面下的波動決定了化學和物理過程發生的速度。
- 儘管水的溫度低於冰點，但鹽能夠形成鹽水，為簡單的極端生物提供水。
- 鹽水結晶造成的結殼可能是黏性沙子形成的一個可能解釋，黏性沙子阻止了熱探針穿透到更深處。
- 火星土壤的溫度對於微生物生命的潛力至關重要。
- 焦點：太空旅行、火星、太陽系探索
鼴鼠，火星鼴鼠：四年來，他在行星研究領域從事一項小型但廣受好評的「職業」。挖掘隧道的哺乳動物的圖像被用來命名火星上的一項實驗，這是行星研究中以前從未進行過的實驗。 2019 年 1 月，在 NASA 洞察號任務的著陸點，德國航空航天中心 (DLR) 開發並與歐洲合作夥伴共同製造的儀器被放置在火星土壤上，該儀器將撞擊探測器驅動至地面 5 米，然後監測應該從地球深處測量的熱流。英語術語“mole”因此變得普遍。現在，對鼴鼠地表及其正下方的日常和季節性波動溫度的伴隨測量的評估產生了新結果：火星土壤頂部 40 厘米的溫度促進了硬殼鹽膜的形成，英語稱為“duricrust” ” ，使地面變硬。
洞察號著陸點火星最上層土壤在許多火星日以及季節變化期間的溫度曲線的測量現在提供了重要的見解：了解「杜里殼土壤」的形成，而且還了解了重要的過程關於宜居性，即火星上存在生物的潛在可能性。洞察號登陸器在火星表面進行了近四年的實驗（相當於兩年的火星年）。在此期間，儘管進行了多次嘗試，但 DLR 行星研究所開發的鼴鼠僅深入地下 40 公分。事實證明，它出乎意料地堅硬，但同時又非常多孔。 「為了了解土壤的機械特性，我喜歡參考花藝中用於佈置的花卉泡沫，這是一種輕質、高度多孔的材料，當植物莖被壓入其中時，會在其中形成孔，」解釋道Tilman Spohn 教授，DLR 行星研究所HP3 實驗的科學負責人。
因此，鼴鼠在金屬-土壤界面處沒有找到足夠的摩擦力來吸收錘擊機構的剩餘反沖力，使其能夠更深地滲透到土壤中。因此，用於測量火星內部熱流的DLR 實驗 HP 3 （熱流和物理特性套件）僅取得了部分成功。因此，2021年初停止了敲擊地面的工作。隨後的溫度測量結果現已發表在《地球物理研究快報》雜誌上。
「看」火星內部
由於火星土壤的結殼深度達到了 20 厘米，這與軌道飛行器的測量結果不同，因此鼴鼠只深入地下近 40 厘米。錘擊實驗完成後，將其用作熱探針。 「我們在火星上連續 7 天短時間測量了熱導率和溫度波動，」蒂爾曼·斯波恩教授報告道。 「此外，我們連續測量了第二個火星年的最高和最低每日溫度。在大約 40 公分長的熱探針深度上，平均溫度為攝氏 -56 度或 217.5 開爾文。這些對晝夜週期和不同季節溫度模式的記錄在火星上尚屬首次。
靠近地表的地面溫度會影響物理特性，例如土壤的彈性、地震波的速度、熱導率和熱容量，以及物質在火星土壤中的移動方式。 「溫度也對土壤中發生的化學反應、與大氣中氣體分子的交換以及火星上可能存在的微生物生命的潛在生物過程產生強烈影響，」斯波恩繼續說道。關於火星土壤的性質和強度的發現對於人類未來的火星探索也特別有意義。
結晶鹽溶液使土壤硬化
火星一天內地面溫度波動5至7度，這只是地表溫度日波動110至130度的一小部分。火星土壤是良好的絕緣體，即使在較淺的深度，也能相當顯著地直接抑制地表的巨大溫差，是地球土壤的 10 至 20 倍。氣溫隨季節波動13度。靠近地面的層的溫度低於火星上水的冰點。
特別有趣的是，如果大氣中有足夠的水分，在冬季和春季的火星白天，溫度允許形成液態鹽水薄膜十個小時或更長時間。因此，這種鹽水的凝固是對觀察到的約20 厘米厚的硬質結殼層的最有可能的解釋，該硬結殼層由凝固的粘性沙子組成，據信這主要阻礙了任務的熱探測器穿透到更深的深度。
首次測定火星土壤的密度
除了溫度之外，還可以透過比較地面溫度與表面溫度來確定熱擴散率、物質中熱傳輸速率的測量或熱導率。首次可以根據熱導率和擴散率之間的關係來估計火星土壤的密度，這是以前所有著陸器探測器無法實現的。在頂部 30 公分（包括硬殼）中，這對應於玄武岩砂，這是地球上常見的富含鐵鎂的火山岩的風化產物，而在其下方則對應於凝固的砂和較粗的玄武岩塊。
火星探索首演
2018 年11 月26 日，當NASA 的洞察號任務在極樂世界平原的赤道附近輕輕著陸時，這是火星探索中的第一次：第一次將一個太空站帶到了這顆「紅色星球」的表面。 InSight 的兩個最重要的儀器來自歐洲：法國實驗 SEIS，用於測量火星地震和小行星撞擊引起的地面振動，以及 DLR 提供的 HP 3熱探頭，旨在測量地表上和地表以下的熱流，以便測量地表下的熱流。
HP 3實驗由位於科隆 DLR 空間操作和太空人訓練設施的空間實驗使用者中心 (MUSC) 控制。由於著陸器太陽能板上的灰塵堆積不斷增加，平台、實驗和通訊的電力供應在 2022 年下半年變得越來越重要，最終導致與登陸器的連接損失。 NASA 隨後決定宣布 InSight 任務於 2022 年 12 月 15 日結束。
[照片]
(A) 火星地球物理測量站洞察號（藝術表現）
NASA 的 InSight（利用地震調查、大地測量和熱傳輸進行內部探索）任務是另一個行星上的第一個地球物理觀測站。洞察號於 2018 年 11 月 26 日在火星赤道附近著陸，並在 2022 年 4 月之前運行了兩年多的火星年。除了法國太空總署CNES的地震儀SEIS（左）之外，DLR開發的測量火星內部熱流的HP3實驗（熱流和物理特性包，右）也是DLR貢獻的重要實驗。 HP3 的溫度測量現在可以解釋為什麼火星土壤結殼深達 20 公分左右，這阻止了 HP3 滲透到更深處。
(B) 實驗 HP3 測量火星上的熱流
熱流和物理屬性包 (HP3) 是 DLR 為 NASA 的 InSight 任務（2018-2022）開發的熱流探測器，用於確定地球的熱狀態（藝術表現）。 「獅身人面像」是矗立在火星土壤上的房屋，而「鼴鼠」則是將熱探針錘入地下五公尺遠，其尖端從獅身人面像「塔」的底部伸出。透過扁平帶狀測量電纜相互連接，該電纜從錘機構後面的HP3 儀器的下室拉出。上室裝有連接 InSight 平台的數據線。
(C) 洞察號著陸點正下方的火星土壤結構
使用DLR 實驗HP3 在洞察號著陸點對火星最上層土壤的溫度曲線進行了許多天的測量，因此在季節變化期間也對火星最上層土壤的溫度曲線進行了測量，這為了解火星上“杜里殼土壤」的形成和結構（左）提供了新的見解。洞察號著陸點。當火星冬季和春季大氣中的水分允許時，溫度足夠高，足以形成鹽水（含鹽液體）。使用 HP3 探頭進行的熱導率測量表明，土壤會隨著季節的變化而「呼吸」。隨著濕度下降，鹽水會結晶，鹽會使火星土壤結晶。這種情況發生在著陸點約 20 公分的深度。這解釋了為什麼洞察號「鼴鼠」無法深入火星土壤。當鼴鼠穿透硬質外殼時，錘擊時會形成一個洞，因此在頂部 20 公分內沒有受到足夠的摩擦。杜里殼土壤上覆蓋著一到兩公分的火星塵埃和沙子，下面是一層火山沙和碎石。右側是已填滿的坑、著陸探測器夾臂的痕跡以及壓力點，試圖在夾臂的幫助下壓實土壤，以便透過更高的摩擦力實現更深的穿透。
(D) 洞察號任務在極樂世界平原的著陸點
對於洞察號任務，所尋找的著陸點必須滿足科學和太空技術標準：為了確保透過太陽能提供安全的能源供應並避免極端的每日和季節性溫度波動，著陸點不能太北或太遠。南。它應該是平坦的，幾乎沒有岩石覆蓋：選擇落在了大火山極樂世界蒙斯西南部的極樂世界平原上，火星赤道稍北一點。火星全球地形圖的細節；藍色和綠色是低窪地區，黃色和紅色是較高的地區。影像寬度約5,000公里。
(E) 洞察號在火星上的最後一張“自拍照”
洞察號火星任務於2018年5月開始了前往「紅色星球」的旅程。首次前往另一顆行星的地球物理任務於 2022 年 4 月開始，四年後結束，當時太陽能板最終因灰塵堆積而無法發電。圖像顯示了著陸器的最後一張“自拍照”，拍攝於2022年4月24日，即著陸器第1211個太陽日（火星日；在地球上，一個太陽日相當於24小時40分鐘）。使命。
(F)《洞察火星》的第一張也是最後一張自拍照
這些是美國太空總署洞察號火星登陸器的第一張也是最後一張完整自拍照。它顯示了著陸器的太陽能電池板和甲板，有沒有和有火星塵埃。第一張自拍照拍攝於 2018 年 12 月 6 日（Sol 10），其中太陽能板仍然完全無塵。這張自拍照由機器人手臂「肘部」的儀器部署相機拍攝的 11 張影像組成。然後將這些圖像組合成馬賽克。甲板上還保留著後來放置在地面上的科學儀器，以及氣象感測器吊桿和超高頻天線。最後一張自拍照拍攝於 2022 年 4 月 24 日，即第 1,211 日。火星任務日。著陸器現在覆蓋的灰塵比第一張自拍照時要多得多。隨著洞察號佈滿灰塵的太陽能電池產生的能量越來越少，該團隊於 2022 年 5 月將登陸器的機械手臂置於靜止位置，並在不久後宣布任務結束。