频道冲浪:火星表面是被干冰雪橇雕刻的吗?

研究人员发现,在气体垫上喷射移动的干冰块可能是造成火星表面神秘沟槽的原因

有些事物是火星独有的。而干冰气垫船可能是其中之一。

十年来,科学家们一直试图了解是什么原因造成了火星上的“线性沟壑”——在沙质斜坡和陨石坑壁上刻出的长而细的沟渠。流动的水作为解释并不完全奏效。水应该将岩石和泥土向下游输送,并在底部倾倒成扇形裙状沉积物。但是这些沟壑没有碎屑沉积物。它们突然停止。

每年春天,随着冬季冰雪融化,新的沟壑出现——旧的沟壑也在增长。一些研究人员注意到,蜿蜒的、有堤坝的沟渠看起来像是沿着山坡滑下的冰块留下的痕迹。这使得天文学家们考虑了一种关于沟壑起源的有趣可能性:干冰块——冻结的二氧化碳——在气体垫上滑动时犁过沙子。但是这个想法从未经过测试。


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美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的研究人员在犹他州的珊瑚粉红沙丘州立公园花了几天时间,看看冰本身是否能在浅坡上刻出沟槽。水冰——就是你放在柠檬水里的那种东西——没什么作用。它基本上只是融化了。然而,干冰却活跃起来。“干冰的表现截然不同,”JPL系统工程师Serina Diniega说,她是《伊卡洛斯》杂志一篇论文的主要作者。“水冰块根本不动,但干冰却直接飞走了!”在轻轻一推之后,干冰滑下沙丘,并在此过程中吹走了沙子。当冰块停止时,它下面的沙子蠕动起来,因为二氧化碳喷射流从冰下逸出。“我们很惊讶,”她补充道。

干冰不会融化;这就是它“干”的原因。相反,它通过升华从固体变为气体。这就是秘诀所在。气体聚集在冰块下方一个非常薄而扁平的气泡中。就像气垫船一样,气体垫使冰块具有高度的移动性。当你把水滴到热锅上时,也会发生类似的事情:气泡在微型蒸汽垫上跳动。

冻结的二氧化碳在火星上很普遍。在火星冬季,随着二氧化碳从大气中凝结出来,极地冰盖会扩大。冰盖的厚度可达几米。在春天,冰层破裂。从悬垂处和陨石坑边缘突出的冰块,由于温度升高而变弱,可能会断裂并落在下面的浅坡上。坠落起到了与研究人员的轻推相同的作用——它使冰块开始移动。从这里开始,升华接管,冰块一路滑到山脚,并在移动过程中刻出一道沟槽。

在火星上,这些沟壑有时可以延伸两公里。这促使该团队前往同样位于犹他州的沙穴州立公园,那里的沙丘比珊瑚粉红沙丘的更大。“我们想看看干冰能走多远,”迪涅加解释道。在一次试验中,冰块越过了公园里最高的沙丘:180米。

虽然这些实验并非结论性的,但在犹他州形成的轨迹与在火星上看到的轨迹之间的相似之处是显著的。此外,来自火星勘测轨道飞行器上的 HiRISE(高分辨率成像科学实验)相机的图像显示,一些沟壑中有冰块存在。在后来的照片中,冰块消失了——这是它们由冰构成的有力证据。“对我来说,这就是证明这确实发生的决定性证据,”HiRISE 首席研究员兼论文合著者阿尔弗雷德·麦克尤恩说。麦克尤恩在《大众科学》2013 年 5 月刊的“运动中的火星”中撰写了关于其他火星谜题的文章。

尼古拉斯·芒戈尔德是 2002 年最初注意到火星上线性沟壑的科学家之一,他持更为谨慎的态度。虽然他同意这些结果很有趣,并且为沟壑的形成提供了一个有趣的新视角,但他并不完全相信冰是造成沟壑的原因。芒戈尔德担心我们尚不清楚火星表面是否有足够的二氧化碳来形成足够大的冰块。而且偶尔出现的波浪形可能难以用冰来解释。

但迪涅加并没有停止她的调查。研究人员知道每年春天都会形成新的沟壑。但他们不知道速度有多快。迪涅加希望更频繁地使用 HiRISE 获取图像,看看她是否能更好地掌握时间尺度。来自火星奥德赛轨道飞行器上的 THEMIS(热辐射成像系统)的热数据(现在是其探索的第 12 年)也将揭示二氧化碳的温度,这将告诉研究人员冰升华的速度有多快,以及反过来,它是否能产生足够的力来滑下山坡。

最终,迪涅加希望在更像火星的环境中重复这些实验。当然,犹他州不是火星。这个蜂巢州具有更高的温度、压力和重力。科学团队开发的数学模型表明,二氧化碳冰可以在火星条件下升华和移动。但是,在这种环境中获取数据将有助于加强论证。在可以重现火星压力和温度的受控环境设施中重复实验将很有帮助。然而,模拟较低的火星重力将不得不等待。

幸运的是,昂贵的设备对于开始思考外星环境过程来说不是必需的。“关于这个想法,最棒的事情之一是它非常简单,”迪涅加说。事实上,她担心这太简单了:去超市,买冰,把冰推下山。肯定有人以前尝试过。但没有人这样做。她认为这是一个超越实验室并让孩子们对科学产生兴趣的好机会。给学生的启示是,科学不是关于花哨的小玩意和复杂的算法,而是关于好奇心。“有很多简单的科学可以做,”她补充道,“如果你有一个创造性的想法。”

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