天文学

的故事'eau sur Mars

2004年,派往火星的两个机器人中的第一个发现了一个古老的沙漠,第二个则降落在曾经水生的地区。液态水在火星上很稀少,但是现在可以肯定。

菲利普·克里斯滕森 对于科学N°333
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许多人被荒凉的外观和清醒的清醒吸引到沙漠。就我而言,它的复杂性使我着迷。亚利桑那州的石头见证了最纠结的历史。石灰岩,粉砂,石英砂和凝固的熔岩层证明,在过去的6亿年中,该地区先后是温暖和浅海,泥泞的沼泽,沙丘燃烧的沙漠,冰冻的浩瀚,然后变成浅海。喷发的火山随后形成了大岛,随后隆升和侵蚀最终塑造了目前的沙漠景观。

长期以来,这种类型的选美比赛对火星来说是不可能的。多年来,我已经看到红色星球的状态从天空中的简单点变为人类熟悉的世界,这是一个由火山,河床和干dry的湖泊所统治的土地,和风吹拂的熔岩平原。火星可以说是太阳系中最引人入胜的故事之一。但是,到目前为止,科学家只能形成一个模糊的想法。多年来,人们一直想知道火星是否曾经像地球一样潮湿,潮湿,还是像月亮一样又寒冷又干燥。

此后这个问题越来越严重。在过去的十年中,在望远镜观测到火星之后,我们进入了火星探索的第三阶段。 ix e 1960年代和1970年代的世纪和太空侦察,最近的轨道飞行任务和地面探索模块已经绘制了行星的地形图,确定了它的矿物学,并提供了足够详细的地表图像以供解释。地质过程,并将轨道飞行的结果与现场数据进行比较。行星学家最终可以像地质学家一样研究火星,利用岩石,矿物和地貌来重建故事。

我们发现火星在整个历史中经历了各种各样的过程和条件。红色星球的土壤已经完全干透,浸水,并被冰雪覆盖。摘要描述不再足够。今天的问题涉及热量和湿度的水平及其在空间和时间上的分布。答案包含了促使我们许多人学习“红色星球”的种子:它过去或现在拥有生命的能力。

两个地点,两个星球?

2004年1月, 美国航空航天局 在火星上非常不同的站点上登陆了两艘飞船。这两个勘探模块“精神与机遇”(Spirit and Opportunity)装有照相机和光谱仪,用于确定土壤和岩石的成分,并继续进行研究,以回答火星地质的核心问题:水起什么作用?

之所以将灵魂降落在古塞夫的火山口中,是因为在轨道上拍摄的图像显示,玛阿迪姆山谷像过去一样是一个湖泊,进入火山口。最初,这个网站令人失望。精神没有发现古代水的任何迹象。相反,他发现了火山岩,这些火山岩原来是橄榄石和辉石,这些矿物被微量的液态水改变了。因此,在火山喷发后大约30亿年内,古塞夫火山口没有显着暴露于水。当Spirit冒险进入俯瞰着陆点的哥伦比亚山时,情况变得更加有趣。机器人在那里发现了丰富的硫盐。火山岩似乎已被压碎成细颗粒,然后用盐将其胶结-这一过程可能涉及水渗入岩石或硫酸与这些岩石中的矿物反应。尽管有水的迹象,这些岩石仍然含有大量的橄榄石和辉石。实际上,即使对于曾经曾经是湖底的水,在过去的数十亿年中,水似乎也起着很小的作用。

机会机器人已降落在Meridiani平原。这是行星学家第一次根据其矿物学选择一个勘探区。首次对火星的太空飞行曾从化学元素的角度研究过其表面的组成,但要通过矿物的组成和晶体结构来识别矿物,直到火星全球测量师(火星全球轨道飞行器) 美国航空航天局 配有热发射光谱仪 您的 (用于热发射光谱仪)于1997年到达行星。在由此建立的数字图中,Meridianani的特征在于其富含结晶赤铁矿,这可能是存在水的特征。

实际上,这种普遍存在于地球上的氧化铁是由通常涉及水的不同过程形成的。其中之一是流过沉积物的流体的沉淀。另一个是富含水的黑色矿物(如针铁矿)的沉积和脱水,针铁矿是在许多沙漠土壤中发现的an石。此外,Meridiani平原的富含赤铁矿的岩石似乎已经精细地分层并且容易腐蚀。它们基于点缀着火山口的较旧的表层,这表明存在沉积物。它们充满了先前存在的河道和低洼地区,表明它们是由水流沉积的(风中携带的火山灰或尘土会覆盖整个景观)。

着陆后几天,机会确认了Meridiani过去曾在水下。机器人发现了分层沉积岩的露头,这是第一个在火星上发现的。岩石含有大量的硫酸盐,占其质量的30%至40%,以至于只有富硫水的蒸发才可以解决。赤铁矿以直径为几毫米的小球形式存在,被昵称为蓝莓,锚定在岩石中或散布在地面上。

机会花了六个月的时间,从不同角度第一次探索了一个名为伯恩斯悬崖的露头,就像地球上的地质学家一样。这11个可见层为一系列被表面和底土水润湿的沙丘形式。它们含有大量的由死水蒸发形成的硫酸盐颗粒,可能位于沙丘之间的凹陷处(称为海滩)。将其与类似的地球现象进行比较,得出的结论是,伯恩斯悬崖的岩石一定已经形成了数十万年。赤铁矿团块稍后可能由沉积物中循环的富铁流体形成。

赤铁矿,水印笔

即使是整个太阳系中最平坦的景观之一的子午线平原的形态,也让人联想到湖底。赤铁矿的范围表明它是一个孤立的大湖或小海,而不是大洋的一部分。在赤铁矿主要矿床的南部和西部的几个陨石坑中也含有富含赤铁矿的分层岩石。也许他们是分开的湖泊。无论如何,在这个地区水无处不在。

简而言之,这两个探测器似乎降落在两个完全不同的行星上,一个行星比地球上所有沙漠都干燥,另一个行星上点缀着湖泊。火星会呈现出两个截然不同的面孔,还是风景无穷无尽?这两个相距数千公里的地点是否代表了火星上岩石成分和水活度的全部光谱?为了回答这些问题,科学家们回顾了火星全球测量师公司的轨道数据。

八年来,光谱仪 您的 该轨道器的其中一个仔细检查了火星的岩石和沙子。他透露,它们几乎完全由长石,辉石和橄榄石等玄武岩成分制成。 2004年春季,欧洲航天局的火星快车轨道器及其光谱仪 欧米茄 在近红外中操作,共同努力并确认了这些矿物质的大量存在。橄榄石被发现在Valles Marineris峡谷壁的表面以下4.5公里处,并且在所有赤道平原(包括运河底部)均发现。玄武岩是一种覆盖了地球和月球表面的岩石,这并不令人惊讶(在地球上,第一次地幔融合期间形成了原始的玄武岩熔岩。并继续从海洋断层爆发,形成海床)。

更令人惊讶的是:虽然古老且火山口覆盖的土地的岩石是玄武岩,但北部平原的年轻岩石看起来像是熔岩和安山岩的演化形式:它们含有更多的玻璃和富含二氧化硅的矿物质,但含铁矿物质较少。在地球上,当构造板块将水与熔化的地下岩石混合在一起时,会形成安山岩。火星上安山岩的可能存在令人着迷。这可能表明火星地幔比地球地幔中的水丰富,或者年轻的熔岩在不同于老玄武岩的温度或压力下融化。一些科学家声称,所谓的安山岩实际上是伪装的玄武岩:水或酸雾与矿物发生反应,使其表面具有安山岩的外观。行星学家将不得不等待对这些岩石的详细地面研究才能回答这个问题。

光谱仪 您的 具有相当低的分辨率:一个像素对应几公里的面积。实际上,直到2001年,火星矿物学的巨大变化才变得明显。 mis弥斯 ,由另一支探头携带的红外摄像机 美国航空航天局 ,火星奥德赛(Mars Odyssey)开始以100米的分辨率绘制行星图。 mis弥斯 欧米茄 从地幔中发现了各种各样的火成岩,可与地球媲美。

低构造活动

离火星赤道不远的地方是直径为1100公里的名为Syrtis Major的火山。它的山顶上有一系列坍塌的火山口或火山口。火山大部分是玄武岩,但其两侧散布着视锥细胞和富含二氧化硅的玻璃状熔岩流,称为dacites。这种类型的岩石来自火山岩浆房。当岩浆冷却时,富含铁和镁的橄榄石和辉石首先结晶,并沉降在反应室的底部。剩余的岩浆富含二氧化硅和铝,提供了静水作用。位于Syrtis Major侧面的几个火山口的中心峰由富含硅酸盐,花岗岩的岩石组成,这些岩石可能是由玄武岩的大规模重熔形成的。

行星学家认为,这座火山已经经历了许多发展阶段。首先从中心喷出玄武岩熔岩,形成火山。随着化学过程的进行,岩浆从腔室的顶部缩回,导致顶部坍塌并加剧了侧面爆发。火星火山不仅巨大,而且令人惊讶地复杂。

在火星上找不到的东西和在火星上找到的东西一样有趣。在地球上常见的石英在火星上极为罕见。这表明从那里来的花岗岩很稀少。当火山岩或沉积岩承受高压或高温时,也不会产生任何痕迹的变质矿物,例如板岩或大理石。这意味着火星的构造活动太低,无法将岩石拖入地幔深处,在那里岩石将被加热并压缩,然后将其向上推。

地球上充斥着大量的碳质岩石,例如石灰石,它们是由富含二氧化碳的温暖海洋形成的。如果火星曾经温暖和湿润,那么它应该有厚厚的碳酸盐层。但是,没有发现。这意味着过去的任何海洋都是寒冷的,短暂的,被冰覆盖甚至对碳酸盐有敌意的。火星尘埃无处不在,当然含有少量碳酸盐,但这些碳酸盐可能是与大气中的水蒸气直接相互作用而不是与表面的液态水接触而形成的。粘土是与水存在有关的另一类矿物,在火星上也很少见。所有这些指标都与被水降解的矿物(如橄榄石或辉石)的普遍存在相吻合,以描绘出一个主要是干燥星球的画像。

从这个意义上说,圣灵在古塞夫观察到的东西比在子午线发现的机会更能代表火星。但是,在轨道上拍摄的照片中,并非只有Meridiani平原可以看到“湖”的地方。 Aram Chaos是一个直径280公里的火山口,其特征是一条流动通道充满了含有赤铁矿的层状岩石,而巨大的巨石则在火山口的底部散落。看来,大量的地下水突然释放了出来,并导致下面的地形塌陷。一些水停滞不前,导致含有赤铁矿的沉积物形成。

同样,位于Valles Marineris的凹陷处藏有赤铁矿的软岩薄层,其构造与死水的存在相容。这些岩石以及其他来自赤道地区的岩石富含硫酸盐,这是水覆盖沉积物的明显标志。这些古老的湖泊可能遭受了无数次洪水,蒸发甚至冻结和干燥的袭击。除老湖底外,还有由密集的运河网络雕刻而成的区域,这些区域显然是由降水或地表径流形成的。

水流了,但是...短暂地

根据唤起平滑海岸线和海床的图像和地形数据,一些学者甚至声称火星有广阔的海洋。综上所述,这些发现表明,在短时期内,偏远地区的水以稳定的方式存在。为什么这些地方的水稳定地积累?最流行的假设涉及地热,高浓度盐(降低冰点)和冰保护层的组合。大型陨石的撞击可能偶而使大气变暖。

然而,曾经是类似地球的星球的想法似乎已经落后于我们了。最主要的印象是古老的地表,其原始火山矿物已从水中保存下来。即使在梅里迪亚尼(Meridiani),玄武质的沙子也覆盖了湖泊的沉积物,这表明该地点已经干旱了两到三十亿年。有湖泊和具有水文地理特征的网络,但是水可能只是短暂地循环了。它可能大部分时间都被冻结了,偶尔释放后很快就重新冻结了。但是,行星学家对这个世界的想法仍然感到困惑,这个世界总体上如此干旱,但有时甚至在地方都是水。

人们最关注火星的过去,但最近的进展使对火星当前活动的研究得以复兴。首先,关于火星在最近的地质活动中的共识正在形成。在熔岩平原中间登基的大多数大型火山可追溯到该星球的早期,但在阿萨巴斯卡·瓦利斯(Athabasca Vallis)等地区,由于没有撞击坑或熔岩流,这表明它们很年轻,因此爆发可以追溯到几百万年前。但是到目前为止,尚未发现活跃的火山或地热热点,而且火星似乎已经冷却到火山稀少的地步。

第二个发现是,随着气候变化,巨大的冷冻水库在地球周围迁移。目前,两极覆盖着冰或富含冰的沉积物,沉积物的厚度为几公里,总面积相当于法国。可以追溯到1970年代的温度测量表明,北极帽由水冰组成,但南帽的组成仍然神秘。它的表面温度与二氧化碳冰的假设相符,但最近通过 mis弥斯 已经发现了水冰的露头,并且二氧化碳冰下也可能有露头。

应向该清单中添加由Mars Odyssey仪器检测到的地下冰块,该冰块捕获了宇宙射线撞击地面时产生的伽马射线和中子。这些伽马射线和中子的能量分布告诉我们有关深达几米深的土壤化学元素的信息。例如,氢大量吸收中子,因此中子的缺乏表明表面以下存在氢,最有可能以水的形式存在(h2 o) .

在高纬度地区,超过60e 同时,水似乎也占土壤的50%以上。如此大量的冰无法通过多孔土壤中大气水蒸气的简单扩散来解释。冰必须以雪或霜的形式沉积。

在中纬度,某些地层也表明可能存在冰。在两个半球的纬度30至50度之间都可以看到斑马土壤。这种质地可能是由于地面变暖和冰蒸发造成的,而这一过程会导致碎裂。在朝向两极的寒冷斜坡的洼地中,我们发现了另一种沉积物:厚达十米的材料层,可能对应于几乎纯净的积雪残渣。最引人注目的发现之一是在中纬度发现了新挖的小沟壑,这可能是由于其底部的泉水,地表冰融化或积雪融化所致。

所有这些都表明火星与地球一样经历着冰河循环。在经过125,000年之后,行星的旋转轴的倾斜确实以20度的幅度振荡。当坡度较低时,两极是地球上最冷的区域,冬季降雪多于夏季,而夏季则蒸发掉,这导致冰层中积聚冰这些年来。随着倾斜度的增加,两极会收到更多的光和热量,直至损害中间纬度。然后水从两极移到赤道。当积雪积聚在表面上时,液态水可能会在其下排出。目前,中纬度地区正在变暖,积雪几乎消失了。如果由巴黎天文台的本杰明·莱弗拉德(Benjamin Levrard)和雅克·拉斯卡尔(Jacques Laskar)设计的这种冰川化模型正确,它将在25,000至50,000年内回归。

火星的专家就像盲人一样,想要描述一头大象,摸索地探索它,但是却难以获得全球视野。火星的地质因地而异。行星呈现出多种多样的纹理,复杂的甚至是自相矛盾的过去以及充满活力的现在。火山岩与地球一样多变,并且水的存在形式也非常多样。尽管它的古老岩石仍然含有在潮湿环境中会迅速降解的矿物,但该星球曾经遭受过巨大的洪水甚至可能降雨。这里的气候干燥干燥,但是机会探索模块降落在古老的海底,见证了曾经非常不同的气候。液态水在当前条件下不稳定,但最近形成了沟壑,并且可能会继续形成。

如果人们认为火星上存在生命,那么从一个地方到另一个地方以及从一个时代到另一个时代的环境多样性是一个有利因素。即使是断断续续的,湖泊也已经存在了很长一段时间,也许足够长的生命出现了。如今,有机体仍可能依旧生活,在寒冷时期冬眠,并在条件改善时醒来。在执行任务期间,机器人将不得不在冰块和沟壑中寻找生活的痕迹。

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