?研究區(qū)域的地形圖?

新浪科技訊 北京時(shí)間7月26日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，火星極地冰蓋底部存在液態(tài)水的假說于30多年前首次提出，之后的爭論一直沒有決定性的結(jié)果。無線電回聲探測（radio echo sounding，RES）是很適合用來解決這一爭論的技術(shù)，因?yàn)榈皖l率雷達(dá)被廣泛用于探測陸地極地冰蓋底部的液態(tài)水，效果也很成功。冰與水之間，或冰與水飽和沉積物之間的界面，能夠產(chǎn)生明亮的雷達(dá)發(fā)射?；鹦强燔囂枺?/span>Mars Express）探測器上的火星亞表面和電離層探測高新雷達(dá)（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，MARSIS）正是用于進(jìn)行RES實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。MARSIS已經(jīng)在火星亞表面進(jìn)行了超過12年的調(diào)查，搜尋液態(tài)水的證據(jù)。有報(bào)道顯示，在靠近南極層狀沉積（South Polar Layered Deposits，SPLD），即火星南極冰蓋最厚部分的區(qū)域具有強(qiáng)烈的基底回波。這些特征被解釋為，由于雷達(dá)信號通過非常冷的純水冰層傳播，因而衰減可以忽略不計(jì)。在南極層狀沉積的其他區(qū)域因此也探測到反常的明亮反射。

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MARSIS采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)

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在地球上，對極地冰蓋上收集的雷達(dá)數(shù)據(jù)的解釋通?；诙ㄐ裕ɑ鶐r形態(tài)）和定量（反射雷達(dá)的峰值功率）分析的結(jié)合。MARSIS的設(shè)計(jì)，尤其是其非常大的足跡范圍（約3到5千米），無法提供很高的空間分辨率，極大限制了它通過基底地形識別冰下是否存在水體的能力。因此，對極地沉積底部液態(tài)水的精確探測要求定量估算基底物質(zhì)的相對介電常數(shù)（以下稱為介電常數(shù)），該數(shù)值決定了雷達(dá)回波的強(qiáng)度。

在2012年5月29日至2015年12月27日間，MARSIS調(diào)查了火星南極高原一處寬200千米的區(qū)域，中心位于193°E， 81°S，與之前一項(xiàng)研究的區(qū)域基本對應(yīng)。無論是從火星軌道激光測高儀（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）的地形數(shù)據(jù)，還是在現(xiàn)有的軌道圖像中，這片區(qū)域都沒有展現(xiàn)出任何異常的特征。這里地形平坦，由水冰和含量10%到20%的塵埃組成，并且季節(jié)性地覆蓋一層厚度不超過1米的干冰?；鹦强睖y軌道飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter）上的淺地層雷達(dá)對該區(qū)域進(jìn)行了更高頻率的雷達(dá)觀測，揭示了SPLD中幾乎沒有任何內(nèi)部分層，并且未檢測到任何基底回波，與北極層狀沉積和SPLD其他區(qū)域的觀測結(jié)果形成鮮明對比。

基底地形和反射回波功率

通過發(fā)射以3和4MHz或4和5MHz為中心的緊密間隔無線電脈沖，利用機(jī)載未處理數(shù)據(jù)模式獲得了總共29個(gè)雷達(dá)剖面圖。觀測是在探測器位于火星夜面時(shí)進(jìn)行的，以最大限度地減少信號的電離層散射。圖2A顯示了在該區(qū)域收集的一張MARSIS雷達(dá)圖，圖中尖銳的表面反射之后，是由SPLD內(nèi)層間界面產(chǎn)生的若干次反射。這些回波中最后一個(gè)代表了富含冰的SPLD與底層物質(zhì)（以下稱為基底物質(zhì)）之間的反射。在大多數(shù)調(diào)查區(qū)域，基底反射微弱且分散，但在某些位置，基底反射卻非常銳利，并且具有比周圍區(qū)域和表面更大的強(qiáng)度（明亮的反射）（圖2B）。在多個(gè)軌道的觀測重疊的情況下，以相同頻率采集的表面和亞表面回波功率具有一致的數(shù)值。

表面和基底回波之間的雙向脈沖傳播時(shí)間可用于估計(jì)亞表面反射體的深度，并繪制基底地形圖。假設(shè)SPLD內(nèi)的平均信號速度為170m/μs，接近在水冰中的傳播速度，那基底反射體的深度就大約是表面以下1.5千米。MARSIS大范圍的足跡和基底回波在明亮反射體外部擴(kuò)散的屬性阻止了基底地形的細(xì)節(jié)重建，但是可以識別出一條從西向東的區(qū)域斜坡（圖3A）。明亮反射體集中的亞表面區(qū)域在地形上是平，而且被較高的地面包圍，除了在其東側(cè)存在一個(gè)凹陷。

介電常數(shù)可以提供對基底物質(zhì)組成的約束，原則上可以從SPLD底部反射信號的功率中獲取。遺憾的是，我們并不知道MARSIS天線的輻射功率，因?yàn)樗鼰o法在地面上校準(zhǔn)（這得歸咎于儀器的大尺寸），因此反射回波的強(qiáng)度只能根據(jù)相對量來衡量。通常是將亞表面的回波強(qiáng)度歸一化為表面值，也就是計(jì)算基底和表面回波功率的比率。這種方法的優(yōu)點(diǎn)還在于補(bǔ)償信號的電離層衰減。按照這種方法，我們將亞表面回波功率歸一化為沿各個(gè)軌道計(jì)算的地面功率的中值；我們發(fā)現(xiàn)，在給定頻率下，所有歸一化剖面產(chǎn)生了一致的基底回波功率值（圖S3）。圖3B顯示了歸一化后基底回波功率的區(qū)域圖；在所有交叉軌道上，明亮反射體都位于193°E， 81°S附近，勾畫出了一個(gè)定義明確、寬20千米的亞表面異常。

介電常數(shù)模擬和獲取結(jié)果

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為了計(jì)算基底的介電常數(shù)，我們還需要有關(guān)SPLD介電特性——取決于沉積物的組成和溫度——的信息。由于水冰和塵埃的確切比例未知，又由于表面和SPLD底部之間的熱梯度受到很大限制，因此我們探索了這些參數(shù)的可能取值范圍，并計(jì)算了相應(yīng)的介電常數(shù)范圍。我們做出了以下通用假設(shè)：1）SPLD由水冰和塵埃（含量從2%到20%不等）混合組成；2）SPLD內(nèi)部的溫度剖面是線性的，從表面的固定溫度（160K）開始，上升到SPLD底部的可變溫度（170K到270K）。通過考慮平面波與一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的正常撞擊來計(jì)算各種電磁場景，三層結(jié)構(gòu)分別是：具有自由空間介電常數(shù)的半無限層；代表SPLD的均勻?qū)樱灰约按?/span>SPLD下方物質(zhì)，具有可變介電常數(shù)值的另一個(gè)半無限層。該計(jì)算輸出的是一個(gè)包含一系列曲線的包絡(luò)，這些曲線將歸一化的基底回波功率與基底物質(zhì)的介電常數(shù)聯(lián)系起來（圖4A）。這一包絡(luò)通過對每個(gè)允許的介電常數(shù)值與歸一化基底回波功率值的概率分布值進(jìn)行加權(quán)，從而確定基底介電常數(shù)（包括明亮區(qū)域的內(nèi)外）的分布（圖4B）。該過程產(chǎn)生了兩個(gè)基底介電常數(shù)的獨(dú)特分布，估計(jì)位于明亮反射區(qū)域的內(nèi)部和外部（圖4C和圖S4），其在3、4和5MHz的中值分別是30 ± 3、33 ± 1和22 ± 1，以及9.9 ± 0.5、7.5± 0.1和6.7 ± 0.1。明亮區(qū)域外部的基底介電常數(shù)在4到15之間，是典型的干燥陸地火山巖。這也與SPLD基底物質(zhì)之前的預(yù)估值（7.5到8.5），以及火星中緯度表面致密干燥火成巖的雷達(dá)表面回波功率值一致。與此相反的是，此前在火星上并沒有觀察到像明亮區(qū)域內(nèi)這么高的介電常數(shù)值。在地球上，大于15的介電常數(shù)值很少與干燥物質(zhì)聯(lián)系在一起。

采集于南極和格陵蘭的RES數(shù)據(jù)顯示，大于15的介電常數(shù)值可以用來指示極地沉積下方存在液態(tài)水?；诘厍蚝突鹦窃谖锢憩F(xiàn)象上的明顯類比，我們可以推斷，從SPLD下方明亮區(qū)域中獲得的高介電常數(shù)值（部分）是水飽和物質(zhì)和/或液態(tài)水層造成的。

我們分析了SPLD下方明亮區(qū)域的其他可能解釋。例如位于SPLD頂部或底部的干冰層，或者整個(gè)SPLD中水冰的極低溫度，與表面反射相比，這些都可能增強(qiáng)基底回波功率。我們否定了這些解釋，有的因?yàn)樾枰浅＞唧w且不大可能的物理?xiàng)l件，有的則是因?yàn)樗鼈儾蛔阋詫?dǎo)致強(qiáng)烈的基底反射（圖S5和S6）。盡管SPLD底部的壓力和溫度與液態(tài)二氧化碳的存在可以相容，但它的相對介電常數(shù)（約為1.6）要比液態(tài)水（約為80）低很多，因此不能產(chǎn)生明亮的反射。

此前有研究利用鳳凰號著陸器的濕化學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Wet Chemistry Lab）發(fā)現(xiàn)，火星北部平原土壤中含有大量的鎂、鈣和高氯酸鹽，支持了極地沉積底部液態(tài)水的存在。高氯酸鹽可以通過不同的物理和/或化學(xué)機(jī)制形成，并且已經(jīng)在火星的不同區(qū)域被發(fā)現(xiàn)。因此，可以合理地假設(shè)它們也存在于SPLD的底部。由于極地沉積底部的溫度估計(jì)約為205K，又由于高氯酸鹽能強(qiáng)烈抑制水的冰點(diǎn)（鎂和鈣的高氯酸鹽能使水的冰點(diǎn)分別降至204K和198K），因此我們認(rèn)為，在極地沉積底部有可能存在一層高氯酸鹽水。這層鹽水可以和基底土壤混合，形成污泥，或者位于基底物質(zhì)上方，形成局部鹽水池。

此前在火星冰川下方的雷達(dá)探測中，液態(tài)水證據(jù)的缺乏已經(jīng)被用來支持這樣的假說，即火星極地冰蓋對基底融化而言太薄了，一些作者聲稱液態(tài)水可能位于比以往認(rèn)為的更深的位置。MARSIS的數(shù)據(jù)顯示，在相對較淺的深度（約1.5千米），液態(tài)水也可能穩(wěn)定地存在于SPLD下方，從而約束了火星水圈的模型。SPLD的原始數(shù)據(jù)覆蓋范圍十分有限（只占南極高原面積的幾個(gè)百分點(diǎn)），加上融水區(qū)域的面積需要足夠大（直徑數(shù)千米，厚度幾十厘米）才能被MARSIS探測到，從而限制了識別小型液態(tài)水體及其之間是否存在液態(tài)連接的可能性。因此，沒有理由認(rèn)定火星亞表面水體的存在只局限于某一區(qū)域。