2021年5月，我國首次火星探測任務天問一號攜帶的“祝融號”火星車在烏托邦平原南部預選着陸區着陸，開啟巡視探測工作。烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地，曾經可能是一個古海洋，預示着火星早期可能存在過宜居環境。
這裡的地質如何演化？現今具有怎樣的地下結構？新京報記者今天（9月26日）從中國科學院地質與地球物理研究所火星研究團隊獲悉，科研人員研究發現，着陸區火星表面數米厚的風化層下存在兩套向上變細的沉積層序，提供了火星可能長期存在水活動的觀測證據。當前，該區域火星表面以下0-80米未發現液態水存在的證據，但不排除存在鹽冰的可能。相關研究結果於北京時間9月26日晚在國際學術期刊《自然》雜誌發表。
中科院地質與地球物理研究所研究員陳凌正在介紹此次研究的有關成果。任暉 攝
火星烏托邦平原首次實施雷達探測，深度達80米
火星地勢南高北低，烏托邦平原位於火星北部，是火星最大的撞擊盆地，此前研究顯示，這裡曾經可能是一個古海洋，氣候溫暖濕潤，現今非常寒冷乾燥。中科院國家空間科學中心研究員劉洋說，着陸區有很多地貌特徵，比如壁壘撞擊坑、凹錐、不同尺度的多邊形等，這些都顯示過去這裡是有水的。“和月球上的撞擊坑不一樣，如果火星上的撞擊坑周圍有薄餅狀的特徵，就表明在撞擊時，這裡曾經有冰或者水。”
這些水是如何消失的呢？詳細的火星地下結構和物性信息是研究火星地質及其宜居環境演化的關鍵依據，是火星探測的重要內容。“祝融號”火星車攜帶了六大科學載荷，其中，次表層探測雷達能夠對巡視區地下淺層結構進行精細成像，深化人們對烏托邦平原演化、地下水或冰分佈等關鍵科學問題的認識。
據中科院地質與地球物理研究所研究員陳凌介紹，“祝融號”火星車搭載的次表層探測雷達實施了世界上首次在火星烏托邦平原的巡視器雷達探測。到目前為止，人類在地外天體上共開展了四次巡視雷達探測。其中，我國嫦娥三號和嫦娥四號分別實現了對月球正面和背面淺表結構的精細探測。美國“毅力號”和我國“祝融號”火星車於2021年先後開啟了火星巡視雷達探測。“毅力號”的探測區域為傑澤羅撞擊坑邊緣，其實際最大探測深度為15米。“祝融號”火星車探測區域為烏托邦平原南部，雷達頻帶較寬，其實際最大探測深度達80米。
解譯雷達數據，獲得火星可能長期存在水活動的觀測證據
由國家航天局探月與航天工程中心發布的“天問一號”科學探測數據，為開展火星研究提供了堅實的數據保障。去年9月至11月，科研人員獲得了四批火星車雷達數據。陳凌說，其中低頻雷達通道的數據探測深度達100米左右，分辨率是米級。高頻雷達探測深度約為10米，分辨率是厘米級。
此次，科研人員對前113個火星日、探測長度達1171米的“祝融號”火星車低頻雷達數據展開了分析。“然而原始低頻雷達數據總共有2945道，肉眼可見的信號都是噪聲，需要仔細分析。”陳凌說，為了從數據中提取信息並分析，去年科研人員用了一個多月的時間商討解決思路，最終確定了雷達數據的解譯步驟，包括去背景、去噪、偏移、數值模擬驗證等，共有13步之多。
2021年10月-11月，研究團隊成員每天交流數據分析進展、提出問題，並商討解決思路。受訪者供圖
據中科院地質與地球物理研究所研究員張金海介紹，航天科學探測儀器必須符合火箭運載對質量、體積和功耗等方面的嚴格要求，但又必須滿足探測精度需求。因此，需要在地面充分分析儀器的噪聲特性，開展詳盡的地面實驗; 與此同時，須有針對性地研發信號處理新方法，從而將有效信號識別並分離出來。研究團隊根據嫦娥三號和四號任務中積累的豐富經驗，針對火星環境的特殊性，建立了可靠的數據處理和成像流程，成功將地下深部微弱信號分離出來。
“80米以下雷達信號很弱，表示雷達可能到達探測深度極限。”陳凌說，通過數據分析，科研人員獲得了淺表80米之上的高精度結構分層圖像和地層物性信息，發現該區域數米厚的火壤層之下存在兩套沉積層序。
第一套層序位於地下約10-30米，含有較多石塊，其粒徑隨深度逐漸增大。“距今大約16億年以來的短時洪水、長期風化或重複隕石撞擊作用，可能導致了這一套向上變細沉積層序的形成。”她說，第二套層序位於地下約30-80米，其石塊粒徑更大，可達米級，且分佈更為雜亂，反映了更古老、更大規模的火星表面改造事件。基於此前的撞擊坑統計定年結果推測，這次改造事件可能發生在距今35億-32億年，與烏托邦平原南部的大型洪水活動有關。
陳凌說，多層結構反映的是一個相對複雜的演化過程。“以前的研究認為，火星從古到今是從濕變乾的，我們的研究發現，火星並不是簡單地向著乾旱的氣候環境改變。在其晚期整體乾旱的背景下，可能還會有短時與水活動相關的過程，使火星表面經歷多期次改造。”
目前“祝融號”巡視區地下0-80米未發現液態水
“祝融號”火星車次表層探測雷達的主要目標之一是探測烏托邦平原南部現今是否存在地下水或冰。
低頻雷達成像結果顯示，0-80米深度範圍內反射信號強度穩定，介質具有較低的介電常數（3-7），“這些特徵不支持巡視路徑下方含有富水層的可能，因為如果存在液態水，介電常數至少要達到15”。陳凌說，另一方面，如果存在液態水，雷達信號衰減比較強，很難在七八十米的深度探測到強反射。
科研人員還計算了“祝融號”巡視區地下1-100米的年平均溫度，在220K左右，遠低於水的冰點和含有硫酸鹽、碳酸鹽等滷水的共晶溫度。這表明，液態水、硫酸鹽或碳酸鹽滷水難以在“祝融號”火星車着陸區地下100米之內穩定存在，但目前無法排除鹽冰存在的可能性。
陳凌說，目前火星車上的雷達探測深度有限，還不能探測到80米之下的地層，期待“天問一號”軌道雷達探測數據發布后，可以對更深部的結構進行研究。“我們也希望國家將來能在火星上布設火震儀，通過天然的火震觀測研究從淺到深的地下結構。”
她同時透露，目前團隊已經獲得了11批雷達數據，正在處理中。目前“祝融號”火星車遇強烈沙塵天氣，進入休眠模式，休眠結束后，火星車還會繼續往南行進，屆時將得到更多的數據。
公眾對移民火星頗為好奇，火星是否會成為宜居之地？對此，劉洋認為，移民火星需要大量水資源，水也可以間接提供其他能源。目前烏托邦平原地下80米內沒有發現液態水，但火星表面含有大量的含水礦物，這些水可以提取出來。“大家對星球的氣壓、溫度等信息非常關注，想了解未來是否可以居住。我們研究的是火星地下結構，更像是火星考古。”張金海稱，科研人員通過研究火星歷史上的氣候變化過程，有望推測火星甚至地球未來環境和氣候的變化。