10.4:《火星地质学》
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- 202229
学习目标
- 讨论探索火星的主要任务
- 解释一下我们从检查火星陨石中学到了什么
- 描述在火星表面发现的各种特征
- 将火星上的火山和峡谷与地球的火山和峡谷进行比较
- 描述火星表面的一般情况
对于大多数人来说，火星比金星更有趣，因为它更热情好客。 即使从地球的远处，我们也可以看到火星的表面特征，并跟踪火星极帽的季节性变化（图\(\PageIndex{1}\)）。 尽管今天的地表干燥寒冷，但航天器收集的证据表明，火星曾经有过蓝天和液态水湖。 即使在今天，这也是我们可以想象宇航员访问的地方，甚至可能建立永久基地。
火星太空探索
航天器对火星进行了深入的研究。 已经向火星发射了50多艘航天器，但只有大约一半完全成功。 第一位访客是美国水手4号，它于1965年飞越火星，向地球传输了22张照片。 这些照片显示了一颗看似暗淡的行星，有大量的撞击坑。 在那些日子里，火山口出乎意料；一些有浪漫倾向的人仍然希望看到运河或类似的东西。 无论如何，报纸头条不幸地宣布火星是一个 “死亡星球”。
1971 年，美国宇航局的 Mariner 9 号成为第一艘绕另一颗行星运行的航天器，它以大约 1 千米的分辨率绘制了火星的整个表面，发现了各种各样的地质特征，包括火山、巨大的峡谷、极地帽上错综复杂的层次以及似乎有被自来水切断了。 从地质学上讲，火星看上去并不那么死。
1970年代的双维京航天器是所有行星任务中最雄心勃勃、最成功的航天器之一。 两架轨道飞行器对地球进行了调查，并用于中继地面上两个着陆器的通信。 在寻找安全着陆点的激动人心且有时令人沮丧之后，维京一号着陆器于1976年7月20日降落在Chryse Planitia（黄金平原）的表面，也就是尼尔·阿姆斯特朗历史性的第一步登上月球整整7年之后。 两个月后，《维京二号》同样成功地降落在更北边的另一个名为乌托邦的平原。 着陆器以高分辨率拍摄了地表并进行了复杂的实验以寻找生命证据，而轨道飞行器则提供了火星地质学的全球视角。
在维京人之后的二十年里，火星一直没有被探视。 美国宇航局和俄罗斯航天局又向火星发射了两艘航天器，但在到达地球之前都失败了。
20世纪90年代，随着美国宇航局开始了一项新的探索计划，使用比维京人更小、更便宜的航天器，情况发生了变化。 第一个新任务恰当地称为 “探路者”，于1997年7月4日将第一辆轮式太阳能火星探测器降落在火星表面（图\(\PageIndex{2}\)）。 几个月后，一架名为 Mars Global Surveyor（MGS）的轨道飞行器抵达，开始在火星一年多的时间里对整个表面进行高分辨率摄影。 正如我们稍后将讨论的那样，这艘仍在运行的航天器最引人注目的发现是沟渠显然被地表水切断的证据。 在这些任务之后，美国宇航局的火星奥德赛轨道飞行器和欧空局火星快车轨道飞行器在2003年完成了这些任务，两者都携带了高分辨率摄像机。 奥德赛上的一台伽玛射线光谱仪发现了大量的地下氢气（可能是冰冻水的形式）。 随后的轨道飞行器包括用于评估未来着陆点的美国宇航局火星侦察轨道器、用于研究高层大气的MAVEN和印度的 Mangalayaan，后者也专注于研究火星的薄层空气。 其中一些轨道飞行器还配备了与地面着陆器和漫游者通信的设备，并充当通往地球的数据中继。
2003年，美国宇航局开始了一系列非常成功的火星着陆器。 名为 Sp irit and Opportunity 的 Twin Mars Expl or ation Rovers（MER）的成功远远超过了其计划的使用寿命。 漫游者的设计目标是行驶600米；实际上，它们共同行驶了50多公里。 在环绕其边缘进行侦察后，O pp ortunity 开车沿着陡峭的墙壁驶入一个名为维多利亚的冲击坑，然后成功地爬回去恢复了路线（图\(\PageIndex{3}\)）。 覆盖漫游者太阳能电池的灰尘导致电量下降，但是当季节性沙尘暴吹走灰尘时，漫游者恢复了全面运行。 为了在冬天生存，漫游者被安置在斜坡上，以最大限度地利用太阳能供暖和发电。 2006年，Spir it失去了其中一个轮子的动力，随后被困在沙子里，继续作为固定地面站运行。 同时，2008年，菲尼克斯（一艘由先前火星任务失败的备件 “重生” 的航天器）降落在北极帽边缘附近，纬度68°，直接测量了土壤中的水冰。
2011年，美国宇航局启动了自维京以来规模最大（也是最昂贵的）火星任务。 重达1吨的好奇号漫游车，大小相当于超紧凑型汽车，它配备了钚动力发电机，因此它不依赖阳光提供动力。 好奇号精确地降落在了大风火山口的地板上，该地点之所以被选中，是因为其复杂的地质条件和过去曾被水淹没的证据。 以前，火星着陆器被送到平坦的地形上，几乎没有危险，这是因为它们的瞄准精度较低。 好奇号的科学目标包括调查气候和地质学，以及评估过去和现在火星环境的可居住性。 2018年，美国宇航局的InSight Lander携带一套科学仪器降落在火星上。 其中包括一个包裹（昵称 “鼹鼠”），它可以一次挖入火星表面 1 毫米，希望使用热传感器可以达到 5 米的深度。 但是，这两个任务都没有携带特定的生命探测仪器。 到目前为止，科学家们还无法设计出一种能够区分火星上活体和非生物材料的简单仪器。
好奇号探测器需要非常复杂的着陆顺序，美国宇航局制作了一段名为 “恐怖七分钟” 的视频，该视频在互联网上风靡一时。
还可以观看好奇号探索火星表面的前两年的生动视频摘要。
火星样本
我们对月球的大部分了解，包括其起源情况，都来自对月球样本的研究，但航天器尚未将火星样本送回地球进行实验室分析。 因此，科学家们饶有兴趣地发现，尽管如此，火星物质样本已经存在于地球上，可供研究。 它们都是一类稀有陨石（图\(\PageIndex{4}\)）的成员，即从太空坠落的岩石。
岩石怎么会逃出火星？ 红色星球上发生了许多撞击，其严重陨石坑表面就表明了这一点。 大规模撞击产生的碎片可以逃离火星，火星的表面重力仅为地球的38％。很久以后（通常是几百万年），这些碎片中有很小一部分与其他陨石一样与地球碰撞并在我们的大气层中幸存下来。 （我们将在关于宇宙样本和太阳系起源的章节中更详细地讨论陨石。） 顺便说一句，来自月球的岩石也作为陨石到达了我们的星球，尽管我们只能通过与阿波罗任务返回的样本进行比较才能证明它们的月球起源
大多数火星陨石是火山玄武岩；其中大多数也相对较年轻，大约有 13 亿年的历史。 我们从它们构成的细节中知道它们不是来自地球或月球。 此外，就在13亿年前，月球上没有火山活动形成月球。 撞击金星所产生的弹出物很难从其厚厚的大气层中逃脱。 通过消灭过程，唯一合理的起源似乎是火星，当时塔尔西斯火山活跃在火星。
对其中几颗陨石中的微小气泡的分析证实了这些陨石的火星起源。 这些气泡与最初由维京人直接测量的火星的大气特性相匹配。 看来一些大气气体被撞击的冲击困在岩石中，撞击使它从火星喷射出来并开始驶向地球。
分析这些火星样本最令人兴奋的结果之一是在其中发现了水和有机（碳基）化合物，这表明火星可能曾经有过海洋，甚至可能在其表面有生命。 正如我们已经暗示的那样，还有其他证据表明，在遥远的过去，甚至延伸到现在，火星上存在流动的水。
在本节和接下来的章节中，我们将总结所有这些探索任务和来自火星的大约40个样本所揭示的火星画面。
火星的全球财产
火星的直径为6790千米，略高于地球直径的一半，因此它的总表面积几乎等于我们星球的大陆（陆地）面积。 它的总密度为3.9 g/cm 3，表明该成分主要由硅酸盐组成，但金属芯很小。 地球没有全球磁场，尽管有一些强表面磁化区域表明数十亿年前存在全球磁场。 显然，如今，红色星球的核心中没有可以传导电力的液态物质。
感谢火星全球测量师，我们绘制了整个星球的地图，如图所示\(\PageIndex{5}\)。 船上的激光高度计对表面地形进行了数百万次单独测量，精度为几米，足以显示极帽的年度沉积和蒸发情况。 像地球、月球和金星一样，火星表面有大陆或高地地区以及广阔的火山平原。 从最高的山峰（奥林巴斯山脉）的顶部到最深的盆地（海拉斯）的底部，总海拔范围为 31 千米。
大约一半的地球由火山口严重的高地地形组成，主要存在于南半球。 另一半主要位于北部，包含较年轻、火山口较轻的火山平原，平均海拔比高地低约5千米。 请记住，我们在地球、月球和金星上看到了类似的图案。 除水星以外，所有陆地行星都将地质划分为较旧的高地和较年轻的低地平原，这似乎是所有陆地行星的特征。
横跨火星南北分区的是一个面积相当于北美的隆起大陆。 这是 10 公里高的塔尔西斯凸起，这是一个由四座大火山加冕的火山区，这些火山在火星天空中升得更高。
火星上的火山
火星的低地平原看起来很像月球玛丽亚，它们的撞击坑密度大致相同。 就像月球玛丽亚一样，它们可能是在30亿到40亿年前形成的。 显然，火星经历了广泛的火山活动，与月球差不多，产生了类似的玄武岩熔岩。
火星最大的火山山位于塔尔西斯地区（你可以在图中看到它们\(\PageIndex{5}\)），尽管较小的火山点缀在地表的大部分地方。 火星上最引人注目的火山是奥林巴斯蒙斯火山（奥林匹斯山），其直径大于 500 千米，山顶耸立在周围平原上方 20 多千米，比地球上最高的山峰高出三倍（图\(\PageIndex{6}\)）。 这座巨大的火山的体积是夏威夷莫纳罗亚火山的体积近100倍。 放置在地球表面，奥林巴斯不仅可以覆盖整个密苏里州。
从轨道上拍摄的图像使科学家能够在这些火山的斜坡上寻找撞击坑，以估计它们的年龄。 许多火山显示出相当数量的此类火山口，这表明它们在十亿年或更长时间之前就停止了活动。 但是，奥林巴斯蒙斯的撞击坑非常少。 它目前的表面不能超过大约1亿年；它甚至可能年轻得多。 一些看上去很新鲜的熔岩流可能是在一百年前形成的，或者是一千或一百万年前形成的，但从地质学上讲，它们还很年轻。 这使地质学家得出结论，奥林巴斯蒙斯如今可能仍处于间歇性活跃状态，未来的火星土地开发商可能要记住这一点。
火星裂缝和峡谷
塔尔西斯凸起除了巨大的火山外，还有许多有趣的地质特征。 在地球的这一部分，地表本身在来自下方的巨大压力的推动下向上凸起，导致地壳的大面积构造开裂。 火星上最壮观的构造特征之一是名为 Valles Marineris（或水手谷，以 Mariner 9 命名，它首先向我们揭示了它们）的峡谷，如图所示\(\PageIndex{7}\)。 它们沿着塔尔西斯凸起的斜坡延伸了大约 5000 千米（近火星周围的四分之一）。 如果它在地球上，这个峡谷系统将从洛杉矶一直延伸到华盛顿特区。 主峡谷深约 7 公里，宽达 100 千米，足够大，足以让科罗拉多河的大峡谷舒适地融入其中一个侧峡谷。
由行星科学家菲尔·克里斯滕森（Phil Christensen）讲述的 Valles Marineris 精彩的 4 分钟视频之旅可供观看。
这里的 “峡谷” 一词有点误导，因为瓦莱斯马里内里斯峡谷没有出口，也没有被自来水切断。 它们基本上是构造裂缝，由导致塔尔西斯隆起的相同地壳张力产生。 但是，水后来在形成峡谷方面发挥了作用，主要是通过从深泉渗出并削弱悬崖。 这种削弱导致了山体滑坡，使原来的裂缝逐渐扩大到我们今天看到的大山谷（图\(\PageIndex{8}\)）。 今天，峡谷中的主要侵蚀形式可能是风。
尽管Tharsis凸起和Valles Marineris令人印象深刻，但总的来说，我们在火星上看到的构造结构比金星上的构造要少。 在某种程度上，这可能反映出地质活动的总体水平较低，正如较小的行星所预期的那样。 但是，火星大部分地区风沉积的沉积物也有可能掩盖了广泛断层的证据。 像地球一样，火星可能在土壤的斗篷下隐藏了部分地质历史。
火星表面的景色
第一个成功降落在火星上的航天器是《维京人1》和《火星探路者》。 所有人都寄回了照片，这些照片显示了荒凉但奇怪的美丽风景，包括许多棱角分明的岩石，穿插着沙丘，比如细颗粒的红色土壤沉积物（图\(\PageIndex{9}\)）。
所有这三架着陆器都瞄准了相对平坦的低地地形。 着陆器上的仪器发现，土壤由粘土和氧化铁组成，这是人们长期以来对地球红色所期望的那样。 所有测得的岩石似乎都起源于火山，成分大致相同。 后来，着陆器被瞄准降落在过去某个时候显然被洪水淹没的地区，那里在有水的情况下形成的沉积岩层很常见。 （尽管我们应该注意，几乎所有的地球都被至少一层薄薄的风吹尘埃所覆盖）。
维京着陆器包括运行了数年的气象站，可以透视火星的天气。 由于没有适度的海洋和云层，他们测量的温度随季节变化而有很大差异。 通常，Viking 1的夏季最高温度为240 K（—33°C），黎明前在同一地点降至190 K（—83°C）。 由 Viking 2 向北测得的最低气温约为 173 K（—100 °C）。 在冬季，Viking 2 还拍摄了地面上的水霜沉积物（图\(\PageIndex{10}\)）。 我们之所以在这里说 “水霜”，是因为在火星上的某些地方，天气变冷到足以让二氧化碳（干冰）冻结在大气中。
在火星上测得的大多数风速只有每小时几公里。 但是，火星有能力发动大风暴，风吹的尘埃笼罩着整个地球。 这样的强风会使表面失去一些松散的细尘，使岩石暴露在外。 后来的漫游者发现，每天阳光明媚的下午，随着热量从地表升起，大气层变得动荡。 这种湍流产生了沙魔，沙魔在将细尘提升到大气层中起着重要作用。 当沙魔去掉顶层的浅灰尘并暴露下面的深色物质时，他们可以在地面上产生奇妙的图案（图\(\PageIndex{11}\)）。
火星上的风在重新分配表面物质方面起着重要作用。 该图\(\PageIndex{11}\)显示了一个美丽的深色沙丘区域，上面铺有较轻的材料。 从火星峡谷中剥离出来的许多材料都被倾倒在像这样的大片沙丘田里，主要是在高纬度地区。
关键概念和摘要
我们对火星的了解大部分来自航天器：非常成功的轨道飞行器、着陆器和漫游者。 我们还研究了几块作为陨石到达地球的火星岩石。 火星在南半球有大量火山口的高地，但在北半部的大部分地区，火山平原更年轻、更低。 塔尔西斯凸起与北美一样大，包括几座巨大的火山；奥林巴斯蒙斯高20多公里，直径500公里。 Valles Marineris 峡谷是因侵蚀而扩大的构造特征。 早期的着陆者只发现了贫瘠、被风吹拂的平原，但后来的任务访问了地质（和风景）种类更多的地方。 选择着陆点的部分原因是为了寻找过去水的证据。