2019-11-20
贵阳清洁公司 Science专科论文:火星冰川下液态水的雷达证据

  新浪科技讯 北京时间7月26日新闻,据国外媒体报道,火星极地冰盖底部存在液态水的伪说于30众年前首次挑出,之后的争吵不息异国决定性的最后。无线电回声探测(radio echo sounding,RES)是很正当用来解决这一争吵的技术,由于矮频率雷达被普及用于探测陆地极地冰盖底部的液态水,成果也很成功。冰与水之间,或冰与水饱和沉积物之间的界面,不妨产生清明的雷达发射。火星快车号(Mars Express)探测器上的火星亚外面和电离层探测高新雷达(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding,MARSIS)正是用于进走RES实验的设备。MARSIS已经在火星亚外面进走了超过12年的调查,搜寻液态水的证据。有报道表现,在亲昵南极层状沉积(South Polar Layered Deposits,SPLD),即火星南极冰盖最厚局部的区域具有凶猛的基底回波。这些特征被注释为,由于雷达信号议决专门冷的纯水冰层传播,所以衰减不妨无视不计。在南极层状沉积的其他区域所以也探测到逆常的清明逆射。

  在地球上,对极地冰盖上搜集的雷达数据的注释清淡基于定性(基岩形式)和定量(逆射雷达的峰值功率)分析的结相符。MARSIS的设计,尤其是其专门大的足迹周围(约3到5千米),无法挑供很高的空间分辨率,极大节制了它议决基底地形识别冰下是否存在水体的能力。所以,对极地沉积底部液态水的正确探测请求定量估算基底物质的相对介电常数(以下称为介电常数),该数值决定了雷达回波的强度。

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  在2012年5月29日至2015年12月27日间,MARSIS调查了火星南极高原一处宽200千米的区域,中央位于193°E, 81°S,与之前一项钻研的区域基本对答。不论是从火星轨道激光测高仪(Mars Orbiter Laser Altimeter,MOLA)的地形数据,依旧在现有的轨道图像中,这片区域都异国表现出任何变态的特征。这边地形平整,由水冰和含量10%到20%的尘埃构成,并且季节性地隐瞒一层厚度不超过1米的干冰。火星勘测轨道飞走器(Mars Reconnaissance Orbiter)上的浅地层雷达对该区域进走了更高频率的雷达不益看测,展现了SPLD中几乎异国任何内局部层,并且未检测到任何基底回波,与北极层状沉积和SPLD其他区域的不益看测最后形成明晰对比。

  议决发射以3和4MHz或4和5MHz为中央的周详阻隔无线电脉冲,行使机载未处理数据模式获得了统统29个雷达剖面图。不益看测是在探测器位于火星夜面时进走的,以最大限度地缩短信号的电离层散射。图2A表现了在该区域搜集的一张MARSIS雷达图,图中尖锐的外面逆射之后,是由SPLD内层间界面产生的若干次逆射。这些回波中末了一个代外了富含冰的SPLD与底层物质(以下称为基底物质)之间的逆射。在大无数调查区域,基底逆射虚弱且松散,但在某些位置,基底逆射却专门锐利,并且具有比周围区域和外面更大的强度(清明的逆射)(图2B)。在众个轨道的不益看测重叠的情况下,以相通频率采集的外面和亚外面回波功率具有相反的数值。

  外面和基底回波之间的双向脉冲传播时间可用于估计亚外面逆射体的深度,并绘制基底地形图。倘若SPLD内的平均信号速度为170m/μs,亲昵在水冰中的传播速度,那基底逆射体的深度就大约是外面以下1.5千米。MARSIS大周围的足迹和基底回波在清明逆射体外部扩散的属性不准了基底地形的细节重修,但是不妨识别出一条从西向东的区域斜坡(图3A)。清明逆射体荟萃的亚外面区域在地形上是平,而且被较高的地面围困,除了在其东侧存在一个凹下。

  介电常数不妨挑供对基底物质构成的收敛,原则上不妨从SPLD底部逆射信号的功率中获取。遗憾的是,吾们并不清新MARSIS天线的辐射功率,由于它无法在地面上校准(这得归咎于仪器的大尺寸),所以逆射回波的强度只能根据相对量来衡量。清淡是将亚外面的回波强度归一化为外面值,也就是计算基底和外面回波功率的比率。这栽手段的益处还在于赔偿信号的电离层衰减。遵命这栽手段,吾们将亚外面回波功率归一化为沿各个轨道计算的地面功率的中值;吾们发现,在给定频率下,一切归一化剖面产生了相反的基底回波功率值(图S3)。图3B表现了归一化后基底回波功率的区域图;在一切交叉轨道上,清明逆射体都位于193°E, 81°S附近,勾画出了一个定义清晰、宽20千米的亚外面变态。

  为了计算基底的介电常数,吾们还必要相关SPLD介电特性——取决于沉积物的构成和温度——的新闻。由于水冰和尘埃的实在比例未知,贵阳清洁公司又由于外面和SPLD底部之间的炎梯度受到很大节制,所以吾们追求了这些参数的不妨取值周围,并计算了响答的介电常数周围。吾们做出了以下通用倘若:1)SPLD由水冰和尘埃(含量从2%到20%不等)同化构成;2)SPLD内部的温度剖面是线性的,从外面的固定温度(160K)最先,上升到SPLD底部的可变温度(170K到270K)。议决考虑平面波与一个三层组织的平常撞击来计算各栽电磁场景,三层组织别离是:具有解放空间介电常数的半无限层;代外SPLD的均匀层;以及代外SPLD下方物质,具有可变介电常数值的另一个半无限层。该计算输出的是一个包含一系列弯线的包络,这些弯线将归一化的基底回波功率与基底物质的介电常数相关首来(图4A)。这一包络议决对每个批准的介电常数值与归一化基底回波功率值的概率分布值进走添权,从而确定基底介电常数(包括清明区域的内外)的分布(图4B)。该过程产生了两个基底介电常数的稀奇分布,估计位于清明逆射区域的内部和外部(图4C和图S4),其在3、4和5MHz的中值别离是30 ± 3、33 ± 1和22 ± 1,以及9.9 ± 0.5、7.5± 0.1和6.7 ± 0.1。清明区域外部的基底介电常数在4到15之间,是典型的干燥陆地火山岩。这也与SPLD基底物质之前的预估值(7.5到8.5),以及火星中纬度外面致密干燥火成岩的雷达外面回波功率值相反。与此相逆的是,此前在火星上并异国不益看察到像清明区域内这么高的介电常数值。在地球上,大于15的介电常数值很少与干燥物质相关在一首。

  采集于南极和格陵兰的RES数据表现,大于15的介电常数值不妨用来指使极地沉积下方存在液态水。基于地球和火星在物理形象上的清晰类比,吾们不妨推想,从SPLD下方清明区域中获得的高介电常数值(局部)是水饱和物质和/或液态水层造成的。

  吾们分析了SPLD下方清明区域的其他不妨注释。例如位于SPLD顶部或底部的干冰层,或者整个SPLD中水冰的极矮温度,与外面逆射相比,这些都不妨添强基底回波功率。吾们否定了这些注释,有的由于必要专门详细且不大不妨的物理条件,有的则是由于它们不及以导致凶猛的基底逆射(图S5和S6)。尽管SPLD底部的压力和温度与液态二氧化碳的存在不妨相容,但它的相对介电常数(约为1.6)要比液态水(约为80)矮许众,所以不克产生清明的逆射。

  此前有钻研行使凤凰号着陆器的湿化学实验室(Wet Chemistry Lab)发现,火星北部平原土壤中含有大量的镁、钙和高氯酸盐,声援了极地沉积底部液态水的存在。高氯酸盐不妨议决差别的物理和/或化学机制形成,并且已经在火星的差别区域被发现。所以,不妨相符理地倘若它们也存在于SPLD的底部。由于极地沉积底部的温度估计约为205K,又由于高氯酸盐能凶猛收敛水的冰点(镁和钙的高氯酸盐能使水的冰点别离降至204K和198K),所以吾们认为,在极地沉积底部有不妨存在一层高氯酸盐水。这层盐水不妨和基底土壤同化,形成污泥,或者位于基底物质上方,形成片面盐水池。

  此前在火星冰川下方的雷达探测中,液态水证据的贫窭已经被用来声援云云的伪说,即火星极地冰盖对基底消融而言太薄了,一些作者声称液态水不妨位于比以去认为的更深的位置。MARSIS的数据表现,在相对较浅的深度(约1.5千米),液态水也不妨安详地存在于SPLD下方,从而收敛了火星水圈的模型。SPLD的原首数据隐瞒周围相等有限(只占南极高原面积的几个百分点),添上融水区域的面积必要充满大(直径数千米,厚度几十厘米)才能被MARSIS探测到,从而节制了识别幼型液态水体及其之间是否存在液态连接的不妨性。所以,异国理由认定火星亚外面水体的存在只局限于某一区域。(任天)

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