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【中国科学报】透视地下80米,他们解开雷达数据“密码”
2022-09-27 | 作者:转自:中国科学报 | 【 】【打印】【关闭

来源:中国科学报 作者:冯丽妃 发布时间:2022-9-26 

  9月26日,中国“祝融号”火星车在乌托邦平原实施的全球首个雷达探测结果出炉,发表于《自然》杂志,引世人注目。

  中国是全球首个在地外天体上开展巡视雷达探测的国家。迄今,人类在地外天体上共开展了四次巡视雷达探测。其中三次来自中国。第一和第二次是我国嫦娥三号和嫦娥四号,分别首次实现对月球正面和背面浅表结构的精细探测。2021年,美国“毅力号”和我国“祝融号”火星车先后开启了火星巡视雷达探测。

  此次研究背后有哪些故事?科学家如何完成我国首次火星探测任务首批雷达数据分析?雷达探测还能告诉我们哪些火星演化秘密?《中国科学报》就此采访了中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)火星研究团队。

  “一件幸福的事” 

  2021年8月中旬,时任地质地球所所长吴福元院士和首次火星探测任务首席科学家潘永信院士第一时间整合全所优势力量,展开建制化集中攻关。攻关团队负责人、地质地球所研究员陈凌与同事们的工作节奏随即切换到“冲刺”模式。

  摆在面前的任务无疑是时代赋予的光荣使命,但在火星开展雷达探测没有先例可循,数据分析需要特别谨慎。

  航天载荷由于受到功耗、体积和重量等的约束,而且无法像在地面那样可以反复观测,导致其原始数据的信噪比通常很低。如何从中提取地下结构的有效反射信息成为摆在研究团队面前的第一道难关。大家没有气馁,群策群力,反复研判,终于提出了识别和提取有效信号的合理方案。

  如何在噪音干扰中提取有效信息是另一道难关。陈凌向《中国科学报》介绍,“祝融号”雷达天线与火表之间有几十公分的距离,发射信号和反射信号在火星大气介质里传播后,会造成强干扰,掩盖一些地下信息。同时,雷达能量往下穿透会越来越弱,如何在噪音干扰中把来自深部的弱信息提取出来也是个难题。

  研究团队中,有嫦娥三号和嫦娥四号雷达探测数据处理和分析经历的研究者与大家分享经验,经过一个多月的连续作战,他们终于解锁了雷达“密码”,获得了梦寐以求的高质量信号剖面。与此同时,另一部分团队成员持续动态地对雷达数据可能反映的地质活动积极开展解译,尽可能做到“言之有物,言之有据”。

  在这支老中青三代科研人组成的攻关团队里,长者掌舵,出谋划策;年轻人奋勇向前,干劲十足。为了确保结果的可靠性,大家分成了多个独立小组“背靠背”开展处理工作,确保处理流程的合理性与可靠性,这为后续的地质解译奠定了坚实的数据基础。

  功夫不负有心人。11月30日凌晨,随着陈凌按下网页上的确定发送键,研究团队历经一个多月分析、制图、写作的稿件被投了出去。

  一周后的12月6日,他们收到《自然》主编的回信称:“准备送审”。

  这让团队每个人都十分欣喜。

  “能够参与我国首个火星探测计划天问一号’的研究,是一件幸福的事。”作为团队中的一名青年研究人员,论文共同第一作者、地质地球所副研究员王新为能够与时代最前沿科学技术同频共振而自豪,也为团队成员之间高效、愉快的合作而骄傲。“大家共同奉献,相互谦让、包容,一起发力才能把效率提上去”。

  解码古盆地地质结构 

  火星是一个二分性十分明显的行星。“从地形上看,它的南边是高地;北边是低地。从地质上看,南边保留的是比较老的地质结构,北边相对年轻。”陈凌向《中国科学报》介绍,“祝融号”着陆区乌托邦平原属于北方低地,但距离二分性的边界比较近,观察的地质现象相对年轻。

  据介绍,主流火星地质研究观点认为,乌托邦平原最初是一个巨大的撞击坑,现今该区域地表演化已类似平原,但同时兼有盆地和平原之称。

  在此次“祝融号”雷达所探测到的着陆区地下0~80米两个沉积序列中,位于较深部30~80米的沉积序列可能属于火星晚西方纪(约35亿~32亿年前)的北方低地沉积,国内外研究认为它主要和当时比较强的洪水活动有关。

  与此相对,此次雷达探测到的10~30米的浅部沉积序列,比西方纪更年轻,相关的火表改造事件认知不足。研究团队推测认为,其形成背景可能包括小型洪水事件、长期风化以及重复撞击等作用。

  “上层沉积序列和下层类似,(粒径)都是上细下粗,结合着陆区存在与水活动相关的年轻地貌特征,所以其形成可能也可以用洪水事件来解释。”陈凌说,“但它只有20米厚,雷达反射的能量也没有下层那么强,因此可以用一次相对短暂的小型洪水活动来解释。”

  同时,由于上层沉积序列更接近火表,研究者认为,就像此前在月球以及美国“洞察号”火星着陆区观测到的类似现象一样,也可以用风化作用或撞击作用来解释,在这些过程中,因重力作用形成向上变细的沉积序列。

  研究者还进一步判断,现今该区域浅部80米以内没有液态水存在的证据。

  “首先,雷达波的能量遇到液态水会迅速衰减,而此次雷达波的能量相对稳定;其次,火表地下80米之上如果含液态水,介电常数至少要大于等于15,而此次反演得到介电常数小于9;此外,‘祝融号’(北纬25度)和美国‘凤凰号’(北纬68度)热模拟结果也表明,液态水在该区域地下浅层难以稳定存在。”陈凌说。

  不过,基于目前的数据并不能排除80米以上的浅部水以盐冰形式存在的情况,这类物质的介电常数与沉积物质相当;也未排除火表更深处有水/冰的可能,因为着陆区附近有距今1000万年的年轻“壁垒撞击坑”,即陨石撞击火表时,深部流体溅出在外围形成荷叶状边缘的撞击坑。

  这些研究得益于我国地外雷达探测技术和设备的快速发展。研究共同作者、地质地球所研究员张金海向《中国科学报》表示,“祝融号”携带了两个频段的探测雷达,其中低频雷达探测深度可以米级的分辨率探测到地下数十米到百米左右的结构,而高频雷达可以厘米级的分辨率探测到地下5米左右的更精细结构。而“毅力号”的探测区域为杰泽罗撞击坑边缘,其雷达实际最大探测深度为15米。

  与其强大的功能相比,“祝融号”的高低频段雷达“身板”却很迷你,总重量仅有6.1公斤。据张金海介绍,“祝融号”雷达载荷与嫦娥三号、嫦娥四号携带的相关载荷一样,都由中科院空天院研究员方广有团队设计制造。

  值得注意的是,本文共同作者、中科院空间中心研究员刘洋今年5月发表于《科学进展》的另一项基于“祝融号”短波红外光谱和导航地形相机数据的研究结果也证实,着陆区附近有水活动的迹象,与此次研究结果相互佐证。

  “未来一定会更好” 

  此次最新的研究结果,研究团队选择以“开放获取”形式来发表。陈凌向记者表示:“这是希望让更多的人都能了解中国首个火星探测计划所取得的成果。”

  下一步,陈凌表示,围绕火星雷达探测,要做的工作还有很多。除了聚焦雷达反射特征随深度的变化,其反射特征的横向变化也需要进行分析。同时,此次研究给出的介电常数仅是介质性质的一个参数,其他的性质参数如衰减及其随频率的变化等,都需要做更精细的分析。此外,观测数据要得到更好的理解,结合理论建模仿真也需要进一步加强。

  为应对沙尘天气和冬季极低的环境温度,“祝融号”于今年5月转入休眠模式,预计12月前后将恢复正常工作。“随着更多的数据不断采集和分析,我们对火星的认识会越来越深入。同时,随着国家深空探测经验的积累,未来我们一定会做得更好。”陈凌说。

 

  《中国科学报》 (2022-09-27 第1版 要闻)

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