DAOrayaki |火星的宜居性:过去和未来

了解火星是否曾经能够支持生命是过去50年来火星研究的主要驱动力。为了破译这颗星球的古代气候和宜居性,研究人员着眼于岩石记录——一种反映岩石沉积时的环境和主导气候的古代地表过程的物理记录。

DAOrayaki |火星的宜居性:过去和未来

了解火星是否曾经能够支持生命是过去50年来火星研究的主要驱动力。为了破译这颗星球的古代气候和宜居性,研究人员着眼于岩石记录——一种反映岩石沉积时的环境和主导气候的古代地表过程的物理记录。

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:60 USD

研究种类:Space Exploration, Mars, Habitability

原文作者:  ScienceDaily

创作者:Skyh@DAOrayaki.org

审核者:Heyyawn@DAOrayaki.org

原文: Mars' changing habitability recorded by ancient dune fields in Gale crater; Mounds of ice in craters give new insight into Mars’ past climate; Volcanoes on Mars could be active, raising possibility Mars was recently habitable; A material way to make Mars habitable

一个国际小组发现了火星上古代沙丘的证据,这可能有助于解释古代地表条件。根据一项新的研究,在火星南半球周围的环形山中新发现的层状冰沉积物,提供了关于火星在过去400万年中的方向如何控制火星气候的深刻见解。这些发现有助于科学家了解是什么控制了火星过去的气候,这对于预测火星何时适合居住至关重要。新的观测结果表明,火星可能仍然存在火山活动,从而提高了近代火星近地表可居住条件的可能性。正在进行的研究调查了大约5万年前火星上最近一次火山活动的可能性,这次活动可能是由大约同一时间发生在附近的小行星撞击引起的。新的研究表明,火星表面的某些区域可以利用一种材料——硅气凝胶——来模拟地球的大气温室效应。通过建模和实验,研究人员表明,一个2至3厘米厚的二氧化硅气凝胶屏障可以传输足够的可见光进行光合作用,阻挡有害的紫外线辐射,并提高地下温度永久高于水的熔点,所有这些都不需要任何内部热源。

盖尔(Gale)陨石坑古沙丘地区记录的火星可居住性变化

了解火星是否曾经能够支持生命是过去50年来火星研究的主要驱动力。为了破译这颗星球的古代气候和宜居性,研究人员着眼于岩石记录——一种反映岩石沉积时的环境和主导气候的古代地表过程的物理记录。

在《 JGR: 行星》杂志上发表的一篇新论文中,NASA-JPL 火星科学实验室任务的研究人员利用好奇号火星车,通过研究盖尔陨石坑内的一组岩石,为火星远古历史之谜增添了另一块拼图。

他们在盖尔陨石坑中发现了古老沙丘地的证据,这些沙丘地被保存为一层岩石,覆盖在一个大湖中沉积的岩石层上。沙丘地带的残留岩石今天被称为Stimson 地层。

这些发现有助于科学家了解火星表面和大气过程——比如风吹沙子形成沙丘的方向——以及火星的气候是如何从一个可能存在微生物生命的环境演变为一个不适合居住的环境的。

通过好奇号探测器收集的图像来观察保存下来的岩层,研究人员重建了占据这部分陨石坑的大型沙丘的形状、迁移方向和大小。

帝国研究人员制作的古代沙丘模型显示,沙丘紧挨着被称为夏普山(Mount Sharp)的盖尔陨石坑的中央山峰,呈五度角分布在风蚀的表面上。研究还发现,这些沙丘是复合型沙丘——大型沙丘拥有自己的一套较小的沙丘,它们沿着不同的方向向主沙丘移动。

来自帝国理工大学( Imperial's Department )地球科学与工程系的主要作者史蒂文 · 班纳姆博士(Dr Steven Banham)说: “随着风的吹动,它将一定大小的沙粒输送运走,并将它们组织成我们所认识的沙堆,即沙丘。这些地貌在地球上的沙质沙漠中很常见,例如撒哈拉沙漠、纳米比亚沙丘地带和阿拉伯沙漠。风的强度及其方向的一致性控制着沙丘的形状和大小,其证据可以保存在岩石记录中。

“如果输送到某个地区的沉积物过多,沙丘会随着迁移而攀升,并部分掩埋邻近的沙丘。这些掩埋层包含一个称为“交叉层理”的特征,它可以显示沙丘的大小和它们迁移的方向。通过研究这些交叉层,我们能够确定这些地层是由特定的沙丘沉积形成时,这些沙丘是在竞争风向两个不同方向输送沉积物时形成的。

“令人惊讶的是,通过观察火星岩石我们可以确定三十五亿年前两股相互竞争的风驱使这些巨大的沙丘穿过盖尔陨石坑的平原。这是我们第一次获得风向变化的证据——不管是季节性的还是其他的。”

夏普山下部由古代湖床沉积物组成。这些沉积物在38亿年前陨石坑形成后不久,陨石坑被淹没时堆积在湖床上。“好奇号”在过去九年的大部分时间里都在研究这些岩石,寻找可居住的迹象。

Banham 博士补充道: “35亿年前,这个湖泊干涸了,湖底的沉积物被挖掘和侵蚀,形成了陨石坑中心的山脉——今天的夏普山。我们在山的两侧发现了证据,证明湖泊形成之后形成了一片古老的沙丘地,这表明当时的气候极端干旱。”

然而,新的发现表明,古老的沙丘领域可能没有以前想象的那么滋养生命。巴纳姆博士说: “广阔的沙丘地带不会是微生物特别适合生存的地方,即使有生命存在的证据,留下的记录也很难保存下来。”

“这些沙漠代表了盖尔陨石坑内部时间的快照,我们知道沙丘地带之前有湖泊,但是我们不知道是什么覆盖在沙漠砂岩之上。它可能是在干旱条件下沉积的更多层,也可能是与更潮湿气候有关的沉积物。我们只能拭目以待。”

火星探测器使得研究人员可以前所未有地探索火星的细节。Banham 博士补充道: “虽然地质学家已经研究地球上的岩石200年了,但是直到最近十年左右,我们才能够像研究地球上的岩石一样研究火星上的岩石。”

研究人员继续检查好奇号发现的岩石,现在正集中研究夏普山更高处沙丘所记录的风的模式。巴纳姆博士说: “我们感兴趣的是这些沙丘如何反映火星更广泛的气候、季节变化以及风向的长期变化。最终,这一切都与主要的驱动问题有关: 发现火星上是否曾经出现过生命。”

这项研究得到了英国航天局的资助,是为即将到来的欧空局 ExoMars 探索火星探索远古生命迹象任务做准备的一部分。

火星陨石坑中的冰山让我们对火星过去的气候有了新的认识

研究火星的轨道和方向随着时间的推移对气候的影响,可以帮助科学家找到潜在的宜居时期

根据一项新的研究,在火星南半球周围的陨石坑中新发现的层状冰沉积物,提供了关于火星在过去400万年中的方向如何控制火星气候的深刻见解。这些发现有助于科学家了解是什么控制了火星过去的气候,这对于预测火星何时适合居住至关重要。

这项研究发表在 AGU 杂志《地球物理研究快报》上,该杂志出版了短篇幅、高影响力的研究,其影响横跨地球和空间科学。

火星上的冰沉积反映了温度、水文学和行星动力学的综合作用,就像在地球上一样。这颗行星的倾斜和轨道会影响地表的温度和阳光,从而导致气候变化。更厚、更纯净的冰层通常反映了寒冷时期的积冰更多,而薄的、多尘的冰层可能更温暖,更不容易形成冰。

这项新的研究以前所未有的决心和自信,将这些冰层与火星的轴线倾斜和它的轨道偏移相匹配,或者说,将火星的椭圆轨道如何随着时间的推移围绕太阳旋转匹配起来。

这些发现让科学家们深入了解火星的气候是如何随着时间的推移而变化的。虽然这项研究仅限于近期,但建立这些气候-轨道关系有助于科学家更深入地了解火星过去的气候,这可能有助于确定潜在的宜居时期。

“这些模式与轨道周期之间的匹配程度之高出人意料,”该研究的主要作者、普渡大学行星科学家迈克尔•索里(Michael Sori)表示。“这真是一场完美的匹配,是你能要求的最好的。”

从冰盖到陨石坑

此前,火星气候科学家一直把重点放在跨越数百公里的极地冰盖上。但是这些沉积物是古老的,随着时间的推移可能已经失去了冰,失去了必要的细节,而这些细节对于自信地建立星球的方向和运动与气候之间的联系是必要的。

Sori 和他的同事们将目光转向了陨石坑中的冰丘,这些陨石坑只有几十公里宽,但是新鲜得多,而且可能不那么复杂。在仔细搜索了南半球的大部分地区后,他们确定了巴勒斯陨石坑的位置,这个陨石坑宽74公里,从美国宇航局的 HiRISE 图像上可以看到“保存得非常完好”的陨石层。

研究人员分析了这些岩层的厚度和形状,发现它们与过去400万到500万年间火星轨道动力学的两个重要拱点进动——火星轴线和轨道倾斜——有着惊人的相似。

这一发现改进了之前的研究,之前的研究利用火星的极地冰层气候记录来建立与轨道的初步联系。但是这些记录太“嘈杂”,或者说太复杂,以至于无法自信地将两者联系起来。更年轻、更清洁的陨石坑冰保存了较为简单的气候记录,研究人员利用这些记录高精度地将气候变化与拱点进动和倾斜度进行匹配。

火星作为一个自然实验室

辨别轨道周期和气候之间的联系对于理解火星的历史和地球上复杂的气候动态非常重要。“火星是研究气候轨道控制的天然实验室,”Sori 说,因为地球上存在的许多复杂因素——生物学、构造学——在火星上可以忽略不计。从本质上讲,整个地球为科学家隔离了变量。

行星科学研究所和约克大学的行星科学家艾萨克 · 史密斯(Isaac Smith)没有参与这项研究,他说: “如果我们想要了解气候,就需要去没有这些干扰因素的地方。”在这个意义上,“火星是一个原始的行星。这里有很多潜在的应用。火星与冥王星和海卫一的共同点比你想象的要多得多。”

并非所有较小的冰层表面都有清洁、暴露的冰层。有些可能藏在土堆里。Sori 说,最终目标是像科学家在地球上的那样对冰芯进行采样,但火星探测器还没有这种能力。相反,科学家可以利用透地雷达数据“窥视”冰层内部,检查冰层,确保可见层延伸到整个沉积物。在目前的研究中,这是一个必要的质量控制步骤,该方法可能有助于未来对火星冰层的探索,而火星冰层表面没有可见的层。

“能够从一个小冰层中提取气候信号是一个非常酷的结果,”莱利 · 麦克格拉森(Riley McGlasson)说,他是普渡大学的研究合著者,在新的研究中应用了这种方法。“有了雷达,我们可以更接近事情的全貌。这就是为什么我很高兴能在未来更进一步。”

火星上的火山可能很活跃,提高了火星最近适合居住的可能性

根据亚利桑那大学月球与行星实验室和行星科学研究所的研究人员的最新研究,最近火星上火山活动的证据表明,火山爆发可能发生在过去的5万年里。

这颗红色星球上的大多数火山活动都发生在30亿到40亿年前,一些偏远地区的小规模火山爆发也许在300万年前还在继续。但是,直到现在,还没有证据表明火星可能仍然存在火山活动。

利用环绕火星的卫星数据,研究人员发现了一个以前未知的火山沉积物。他们在《伊卡洛斯》杂志上发表的论文《火星埃律西昂平原地质学上最近爆发的火山活动的证据》中详细介绍了他们的发现。

“这可能是火星上有记录以来最年轻的火山沉积物,”该研究的主要作者大卫 · 霍瓦斯说,他是亚利桑那大学的博士后,现在是行星科学研究所的研究科学家。“如果我们把火星的地质历史压缩成一天,这将发生在最后一秒。”

火山喷发产生了一个8英里宽、光滑、黑暗的沉积物,围绕着一个20英里长的火山裂缝。

“当我们第一次注意到这个沉积物的时候,我们就知道它很特别,”该研究的合著者,亚利桑那州月球和行星实验室的副教授,同时也是该研究的资深作者 Jeff Andrews-Hanna 说。“这个沉积物不同于该地区或整个火星上发现的任何其他物质,更接近于月球和水星上更古老的火山爆发所形成的特征。”

进一步的研究表明,这些物质的性质、成分和分布与预期的火山碎屑喷发相吻合。火山碎屑喷发是由膨胀的气体驱动的岩浆爆炸式火山喷发,与打开一罐震动的苏打水没有什么不同。

火星埃律西昂平原地区和其他地方的大部分火山活动都是由熔岩流过火星表面形成的,类似于冰岛最近的火山爆发,这项研究是由合著者、亚利桑那大学月球和行星科学副教授克里斯托弗 · 汉密尔顿(Christopher Hamilton)进行的。尽管火星上有许多爆发性火山活动的例子,但它们发生在很久以前。然而,这种沉积物似乎有所不同。

“这个特征覆盖了周围的熔岩流,似乎是一个相对新鲜和稀薄的火山灰和岩石沉积物,代表了与先前确定的火山碎屑特征不同的喷发方式,”霍瓦特说。“这次火山爆发可能将高达6英里的火山灰喷入火星大气层。这类沉积物可能更为常见,但已被侵蚀或掩埋。”

最近这次火山爆发的地点距离 NASA 的 InSight 着陆器大约1000英里(1600公里) ,该着陆器自2018年以来一直在研究火星上的地震活动。两次火星地震,相当于火星上的地震,起源于科柏洛斯槽沟(Cerberus Fossae)附近的地区,最近的研究表明,这些可能是由于地下深处岩浆的运动造成的。

霍瓦特说: “这个沉积物的年轻时代绝对提高了火星上可能仍然存在火山活动的可能性,令人感兴趣的是,InSight 任务最近探测到的火山地震来自科柏洛斯槽沟。”。事实上,在美国宇航局的 InSight 着陆器着陆火星之前几个月,研究人员团队就预测这里可能是火星地震的发生地。

Horvath说,像这样的火山沉积物也增加了近代火星表面以下可居住条件的可能性。

他说: “上升的岩浆和该地区的冰基质之间的相互作用可能在最近为微生物的生存提供了有利的条件,并提高了该地区存在生命的可能性。”

这个地区类似的火山裂缝是大洪水的源头,也许就在2000万年前,地下水喷发到地表。

安德鲁斯-汉纳的研究小组继续调查火山喷发的原因。普拉纳本杜 · 莫伊特拉(Pranabendu Moitra)是美国亚利桑那州地球科学部的研究科学家,他一直在探索火山喷发的机制。

莫伊特拉是地球上研究类似爆发的专家,他开发了模型来研究火星爆发的可能原因。在即将发表在《地球与行星科学快报》上的一篇论文中,他认为爆炸可能是火星岩浆中已经存在的气体的结果,也可能是在岩浆与火星永久冻土层接触时发生的。

“冰融化成水,与岩浆混合并蒸发,迫使混合物猛烈爆炸,”莫伊特拉说。“当水与岩浆混合时,就像往火上浇汽油。”

他还指出,火星上最年轻的火山喷发类型发生在距离火星上最年轻的大型撞击坑仅6英里(10公里)的地方——一个名为 Zunil 的6英里宽的撞击坑。

莫伊特拉(Moitra )说: “火山爆发的年代和撞击的影响是无法区分的,这增加了这种影响实际上引发火山喷发的可能性,无论多么推测。”

一些研究发现证据表明,地球上的大地震可以导致地表下储存的岩浆喷发。莫伊特拉解释说,在火星上形成 Zunil 陨石坑的撞击会像地震一样震动这颗红色星球。

虽然火星上其他地方更引人注目的巨型火山——例如太阳系中最高的山峰 Olympus Mons ——讲述了一个关于火星古老动力学的故事,但目前火星活动的热点似乎在火星 Elysium 地区相对平淡无奇的平原上。

安德鲁斯-汉纳说,值得注意的是,有一个地区是当今地震、最近的洪水、最近的熔岩流以及现在更近的爆炸性火山喷发类型的地震中心。

“这可能是火星上最近的一次火山喷发类型,”他说,“但我认为我们可以放心,这不会是最后一次。”

安德鲁斯-汉纳说,这项研究中描述的火山沉积,以及 InSight 探测到的火星内部持续不断的地震隆隆声,以及美国宇航局 MAVEN 轨道飞行器探测到的甲烷羽流释放到大气层的可能证据,表明火星远非一个寒冷、不活跃的世界。

“所有这些数据似乎都在讲述同一个故事,”他说,“火星并没有死亡。”

一种让火星适合居住的物质方式

二氧化硅气凝胶可以使火星表面变暖,就像温室气体使地球变暖一样

人们长期以来一直梦想着重塑火星的气候,使其适合人类居住。卡尔 · 萨根是科幻小说领域之外第一个提出地球化的人。在1971年的一篇论文中,萨根提出,北极冰盖的蒸发将“在火星上空产生约10s g cm-2的大气,通过温室效应提高全球气温,并大大增加液态水的可能性。”

萨根的工作启发了其他研究人员和未来学家,使他们产生了认真对待地球改造的想法。关键问题是: 火星上是否有足够的温室气体和水来增加它的大气压到类似地球的水平?

2018年,美国宇航局资助的来自科罗拉多大学博尔德分校和北亚利桑那大学的研究人员发现,处理火星上所有可用的资源只会使大气压力增加到地球的7% 左右——远远低于使火星适合居住的要求。

将火星地球化似乎是一个无法实现的梦想。

现在,来自哈佛大学、美国宇航局喷气推进实验室和爱丁堡大学的研究人员有了一个新的想法。与其试图改变整个火星,不如采取一种更具区域化的方法?

研究人员认为,火星表面的某些区域可以用一种材料——二氧化硅气凝胶——来模拟地球的大气温室效应。通过建模和实验,研究人员表明,一个2至3厘米厚的二氧化硅气凝胶屏障可以传输足够的可见光进行光合作用,阻挡有害的紫外线辐射,并提高地下温度永久高于水的熔点,所有这些都不需要任何内部热源。

这篇论文发表在《自然天文学》杂志上。

哈佛大学约翰 · A · 保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和地球与行星科学系的环境科学与工程助理教授罗宾 · 华兹华斯(Robin Wordsworth)说: “这种使火星适合居住的区域性方法比改变全球大气更容易实现。与之前让火星适合居住的想法不同,这是一种可以用我们已有的材料和技术进行系统开发和测试的东西。”

“除了地球,火星是太阳系中最适合居住的行星,”美国宇航局喷气推进实验室研究科学家劳拉 · 克伯说。“但是对于许多生命来说,这仍然是一个充满敌意的世界。一个创造适宜居住的小岛的系统将允许我们以一种可控和可扩展的方式改造火星。”

研究人员受到火星上已经发生的一种现象的启发。

与地球由冰冻的水构成的极地冰盖不同,火星的极地冰盖是由冰冻的水和二氧化碳组成的。就像它的气态形式一样,冻结的二氧化碳能够让阳光穿透并捕获热量。在夏季,这种固态温室效应在冰层下造成了一些温室效应。

华兹华斯说: “我们开始思考这种固态温室效应,以及将来如何利用它在火星上创造适宜居住的环境。我们开始思考,什么样的材料可以最大限度地减少热导率,但仍然可以传输尽可能多的光。”

研究人员降落在二氧化硅气凝胶上,这是有史以来最绝缘的材料之一。

二氧化硅气凝胶有97% 的多孔性,这意味着光线可以穿过这种材料,但是相互连接的二氧化硅纳米层会阻碍红外线的热传导,从而大大减慢其速度。这些气凝胶在今天的一些工程应用中被使用,包括美国宇航局的火星探测车。

“二氧化硅气凝胶是一种很有前途的材料,因为它的效果是被动的,”Kerber 说。“它不需要大量的能量或运动部件的维护来保持一个地区长时间的温暖。”

利用模拟火星表面的模型和实验,研究人员证明,这种材料的薄层将火星中纬度地区的平均温度提高到类似地球的温度。

华兹华斯说: “在足够大的范围内,你不需要任何其他的技术或物理,你只需要在表面覆盖一层这样的东西,在下面就会有永久性的液态水。”

这种材料可以用来在火星上建造居住穹顶甚至自给自足的生物圈。

华兹华斯表示: “从这个问题中,我们可以得出一系列令人着迷的工程学问题。”

接下来,该团队的目标是在地球上类似火星的气候条件下测试这种材料,如南极洲或智利的干燥华兹华斯指出,任何关于让火星适合人类和地球生命居住的讨论,都会引发有关行星保护的重要哲学和伦理问题。

“如果你要在火星表面创造生命,你确定那里已经没有生命了吗?如果有的话,我们该如何应对。”华兹华斯问道。“一旦我们决定让人类登上火星,这些问题就不可避免了。”


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