地球上的重現實驗證實了火星蜘蛛狀地質構造是二氧化碳”雕刻”而成
科學家在實驗室中重現了火星環境，以研究在火星上發現的獨特的蜘蛛狀地質特徵。這些地形是由太陽光加熱冰下土壤形成的，它們促成了模擬火星大氣和探索土壤噴射過程的突破性實驗。
在美國太空總署火星勘測軌道飛行器於2018年拍攝到的這一蛛網狀地形範例中看到的深色斑點，據信是二氧化碳氣體羽流從地表噴出的土壤。 JPL 的一組實驗試圖在實驗室中重現這些蜘蛛狀地形。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/亞利桑那大學
自從2003 年透過軌道飛行器的圖像發現這些地形以來，科學家們對遍布火星南半球的蜘蛛狀地形感到驚訝。沒有人完全確定這些地質特徵是如何形成的。每個分支地形從頭到尾可以延伸超過半英里（1 公里），包括數百條細長的”腿”。這些地形稱為”柵欄狀地形”，通常成群出現，使火星表面呈現出褶皺的外觀。
在美國太空總署火星勘測軌道飛行器於2018年拍攝到的這一蛛網狀地形範例中看到的深色斑點，據信是二氧化碳氣體羽流從地表噴出的土壤。 JPL 的一組實驗試圖在實驗室中重現這些蜘蛛狀地形。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/亞利桑那大學
主流理論認為，蜘蛛是由涉及二氧化碳冰的過程形成的，而地球上並不存在天然的二氧化碳冰。透過在《行星科學期刊》（The Planetary Science Journal）上發表的一篇新論文中詳細介紹的實驗，科學家首次在模擬火星溫度和氣壓的條件下重新創建了這些形成過程。
南加州美國太空總署噴射推進實驗室的勞倫-麥基翁（Lauren Mc Keown）說：「蜘蛛本身就是一種奇特而美麗的地質特徵。這些實驗將有助於調整我們的模型，以了解它們是如何形成的。 ” “
這項研究證實了所謂的基弗模型所描述的幾個形成過程：每年冬天，陽光透過火星表面堆積的透明二氧化碳冰層，加熱土壤。由於土壤的顏色比上面的冰更深，土壤會吸收熱量，使最靠近土壤的冰直接變成二氧化碳氣體，而不會先變成液態，這個過程被稱為昇華（與乾冰冒出”煙霧”的過程相同）。
以下是JPL 的DUSTIE 的內部情況，這是一個酒桶大小的艙室，用於模擬其他星球的溫度和氣壓–這裡是火星南極的二氧化碳冰層。在該艙內進行的實驗證實了被稱為”蜘蛛”的火星地形是如何形成的。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
隨著氣體壓力的增加，火星冰層出現裂縫，氣體得以逸出。當氣體向上滲出時，它帶走了降落在冰表面的土壤中的黑灰塵和沙子。根據這個理論，當冬去春來，剩餘的冰層昇華時，這些小規模噴發留下的蜘蛛網狀疤痕就會消失。
在實驗室中再造火星
對麥基恩和她的合著者來說，進行這些實驗最困難的部分是重現火星極地表面的條件：極低的氣壓和低至華氏零下301度（零下185攝氏度）的溫度。為此，Mc Keown 使用了JPL 的一個液態氮冷卻試驗室，即Dirty Under-vacuum Simulation Testbed for Icy Environments（DUSTIE）。
「我愛DUSTIE。它具有歷史意義，」麥基翁說，這個酒桶大小的艙室曾被用來測試為美國國家航空航天局火星鳳凰號著陸器設計的研磨工具原型。該工具用於破碎水冰，飛船在火星北極附近舀起並分析了水冰。
在JPL 的DUSTIE 實驗室進行的實驗中，火星土壤模擬物中出現了這些類似紅色星球”蜘蛛”的形態。模擬土中凍結的二氧化碳冰被下面的加熱器加熱，重新變成氣體，最終從凍結的頂層裂開，形成羽流。資料來源：NASA/JPL-Caltech
在這項實驗中，研究人員將火星土壤模擬物放在一個浸沒在液態氮浴中的容器中進行冷卻。他們將其放入DUSTIE 試驗室，在這裡，氣壓被降低到與火星南半球的氣壓相似。二氧化碳氣體隨後流入艙內，在三到五個小時的時間內從氣體凝結成冰。經過多次嘗試，麥考恩找到了合適的條件，使冰變得足夠厚和透亮，從而使實驗成功。
他們得到了具有適當特性的冰後，在模擬物下方的艙內放置一個加熱器，使其升溫並使冰裂開。當Mc Keown 終於看到粉狀模擬物中噴出一股二氧化碳氣體時，她欣喜若狂。
這段影片顯示的是火星土壤模擬物在JPL 實驗室實驗中噴發出的羽流，該實驗旨在複製被認為是形成被稱為”蜘蛛”的火星地形的過程。當一位多年來一直試圖重新創造這些條件的研究人員發現這股羽流時，她欣喜若狂。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
暗色羽流在噴出模擬液時在模擬液上開了幾個洞，在所有加壓氣體被排出之前，模擬液的噴出時間長達10 分鐘。
實驗中出現了一個基弗模型中沒有反映出來的驚喜：冰在模擬物的顆粒之間形成，然後將其裂開。這種替代過程也許可以解釋為什麼蜘蛛的外表更”龜裂”。這種情況是否發生似乎取決於土壤顆粒的大小以及水冰在地下的嵌入程度。
論文合著者、JPL 的塞麗娜-迪尼加（Serina Diniega）說：”這是一個細節，它表明大自然比教科書上的形象更混亂一些。”
既然已經找到了形成羽流的條件，下一步就是嘗試從上方而不是下方使用加熱器模擬陽光進行相同的實驗。這將有助於科學家縮小羽流和土壤噴射可能發生的條件範圍。
關於蜘蛛地貌，還有許多問題無法在實驗室中找到答案。為什麼它們在火星的某些地方形成，而在其他地方卻沒有？既然它們似乎是仍在發生的季節性變化的結果，為什麼它們的數量和大小似乎沒有隨著時間的推移而增長？有可能它們是很久以前留下的，當時火星上的氣候與現在不同–因此可以為人們提供一個了解火星過去的獨特窗口。
目前，實驗室實驗將盡可能接近蜘蛛。 “好奇號”和”毅力號”漫遊車都在遠離南半球的地方探索這顆紅色星球，而南半球正是這些地貌出現的地方（也是從未有太空船登陸過的地方）。在北半球著陸的”鳳凰”號任務只持續了幾個月，就被極地的嚴寒和有限的陽光所吞噬。
編譯自/ ScitechDaily