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【博評】William:洞察號飛向火星 首次勘察火星內部地質結構

洞察號進行最後安裝及整備工作。照片來自洛竭馬丁官方網站

剛過去的5月6日星期日(本港時間),美國太空總署發射了新的行星探測器洞察號前往火星。過往著陸火星、建立固定的無人實驗室及能作有限度機動的無人探測車,主要只是考察火星地表及大氣層的情況,而洞察號可說是首個對火星地質進行較深入勘探的行星探測器。


基於節約研究經費,洞察號的降落模組和著陸平台沿用11年前火星著陸器鳳凰號的設計,甚至太陽能電池板及機械臂都一樣,只是換上不同的任務載荷而已(故相對於上次好奇號火星車任務的25億美元,今次任務連研發成本只需10億)。



洞察號由擎天神5號運載火箭(401構形)發射的實況


洞察號主要科研儀器位置。照片來自網絡。

洞察號的基本性能,可看NASA的介紹專頁。洞察號的研究儀器有不少,但圍繞地質勘探任務的儀器主要有以下三種:














儀器名稱研發機構作用
內部結構探測地震儀

Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS)

法國航天局透過測量火星地震,了解火星內部構造及流星撞擊頻率
熱流和物理性能探測器

Heat Flow and Physical Properties Package (HP3)

德國航天局高精度溫度探針,可自行打進5米深的洞,並透過探針不同位置的溫度的變化,準確估算火星內部溫度及熱力散失狀況
自轉和內部結構測量儀

Rotation and Interior Structure Experiment (RISE)

美國噴氣動力實驗室利用X 波段的通訊天線與微型通訊衛星聯絡,透過通訊中的細微延時,了解太陽及兩個火星衛星對火星自轉軸章動及潮汐影響,從而計算內核及地幔的密度及大小(註1)

 


洞察號今次亦會自帶兩個微型通訊衛星Mars Cube One前往火星。這兩個小衛星命名為「威E」及「伊芙」(2008年比斯動畫電影《太空奇兵・威E》的主角),任務只有一個:作為通訊中繼衛星,將洞察號的訊息進一步放大並發往地球。現時火星上幾部著陸器的通訊傳輸都是由2001火星奧德塞號衛星負責,不過該衛星已經使用經年,加入小衛星有助強化通訊能力及持續性,同時也有助其中一個實驗的進行。


「威E」(張開中) 及「伊芙」(摺疊中)小衛星。照片來自JPL

洞察號選擇2018年5月發射升空,也有特定意義:火星每2年2個月(正確來說是779日)就會和地球及太陽幾成一直線,這種天文現像叫「火星衝」。換另一個說法,這是火星距離地球最近的時間。只要在「火星衝」之前兩個月發射探測器,就可以以最少火箭燃料,用相當短的時間(大約半年)即可到達火星上去,否則由於距離關係,若在其他時間發射,就可能需要更大型的火箭及用更多時間,才可到達火星了。所以,過往大部分火星探測器都趕在「火星衝」之前發射。部分沒能力發射深空火箭的國家或組織更會「搭便車」,與其他探測器同乘一支火箭前往。例如中國第一個火星探測器螢火1號,由於火箭發射檔期全編滿,加上當時中國還未掌握遠於月球的中繼導引技術,故唯有搭載在俄國福布斯-土壤號火星衛星探測器上搭便車(註2)


2003-2022年火星大衝時火星與地球相對位置圖。這次火星大衝地火距離算是20年來第二近了。照片來自網絡。

了解火星現時地質及結構很重要,因為它能為火星過去的地質事件及今日火星的環境提供足夠的解釋;過去七次探測器降落火星表面,加上在軌探測器,我們已知現時火星表面的基本環境:大氣稀薄並以二氧化碳為主、地表更像沙漠、過去有大量液態水流動的痕跡、表土下有比較豐富的水份、磁場幾乎消失,而現在也幾乎沒有板塊與火山活動等。



今天的火星磁場非常弱,且幾乎不是全行星性的(似多集中於南半球),不過奇怪的是,局部地區磁力線相當強。資料來自這裏

洞察號今次的主要目標是嘗試解釋一個問題:為何火星磁場消失了?火星現時變得乾燥,而且大氣層亦相當稀薄,地表平均氣壓只有地球的1%,甚至遠低於朱穆朗瑪峰的氣壓。普遍天文學家都認為這是火星磁場消失,導致行星大氣層無法受到保護,大氣層被大陽粒子轟擊電離並隨之被帶走;由於大氣層愈見稀薄,水份的沸點愈來愈低,更容易蒸發到大氣層(當然亦被太陽粒子還完成氫氧,氫氣也隨著太陽風而給吹離),餘下的也滲回地殼之中。


行星磁場主要產生自地幔物質中導電流體的流動,無論是岩漿還是含高濃度礦物的水,只要造成固定方向的循環,就可以產生磁場。由於除地球外,內行星的磁場普遍極弱,科學家們早已懷疑這些內行星的地幔不是已冷卻凝固,便是處於極不活躍的狀態。探測器的地底溫度探測儀除可探測火星內部衰變熱的散發速度,更可以對更深層的內部進行較深入的估算,從而判斷地殼深度及地幔是否仍然活躍,甚至嘗試研判地核是否已經冷卻(註3)


另外,地震探測儀同樣可以協助解開行星磁場消失之謎:地質學家過去一直以炸葯製造人工地震,利用地震波(P波及S波)在地殼內的傳播速度,推斷地球內部不同分層、密度及深度;然而,由於洞察號深測器太小,把炸葯裝上探測器也會有安全顧慮,故研究人員唯有利用一般的地震探測儀,以火星天然地震作為考察手段,探測P波及S波的傳送速度;探測火星天然地震的頻率也有助考察火星內部分層的活躍程度,以及地殼是否仍有一定的板塊活動。


富含水冰的火星北極冰冠。照片在火星北部夏季時拍攝,北極氣溫已高得可讓乾冰蒸發,故這一層幾乎肯定是水冰。照片來自網絡。

洞察號的鑽地勘探,另一個目標是找到並量度火星地層中的水份含量。透過觀測,人類已知火星北極有非常豐富的水資源(以冰冠形式存在),甚至可能有季節性鹽水流動,之前鳳凰號在挖掘火星表土時,亦曾發現坑內有冰。由於氣壓低加上受到陽光曝曬,冰迅速昇華蒸發掉,無法作進一步觀測。事實上,類地行星大部分的水份都會保留在地底,保留在表面的相對少得多,以地球為例,只有大約8%的水份是保留在地表上,其餘的都滲入地殼與地幔並以水蒸氣/加壓水的形式存在。


《火星任務》中麥迪文種馬玲薯保命。事實上,有科學家研究過,只要解決氮的問題(火星上的氮主要在硝酸鹽中),在可控溫室環境下,火星土壤其實也適宜種植,因為火星土壤同樣含豐富礦物。照片來自劇照。

火星地殼中水份含量的高低,對於人類火星探險甚至建立半永久性基地有極重要的意義:地殼的水份可提供太空人生活所需,水份電解後又可製成火箭燃料(液態氧與液態氫),供太空人及貨運艙往返地火之用;更重要的是,火星地殼中亦有氮,氮氧經過調配後,可成為太空人呼吸的空氣,且亦方便在火星內進行水耕甚至土耕作業,維持太空人的糧食供應,令火星任務對地球物資的依賴進一步減少,進而減少地火之間運輸物資的次數,降低運輸成本。長遠而言,即使徹底改造火星既不經濟亦不可行,人類甚至可在隕石坑或死火山口建造具密閉性的大型殖民點,並利用火星既有資源在殖民點內建立宜居環境,令人類可以在火星上長期生活並建立社區,甚至利用礦物資源與水分,作為遠征外太陽系的前哨站。


人類若能殖民火星,估計會於大型火山口或隕石坑上建立透光但能阻擋高能輻射的天蓋,再利用火星泥土中的資源建立地球大氣壓及濕度的模擬環境,作為定居點。另外,火星不少隕石坑都有大型熔岩隧道,有助進一步擴充這些定居點的內部空間。照片來自網絡。

 


 


註1:X波段由於測量精度高,通常用來作為火控雷達的波段。RISE的精密度甚至高到可以達量10000公里內2CM距離的變化。


註2:可惜由於該探測器無法正常入軌,連帶螢火1號亦墜回地球。可參考以下網頁


註3:火星磁場消失的原因眾說紛紜,主流意見是認為火星較地球小,火星地核中重金屬放射性物質含量也較少,熱力散失快得多;另有一派意見認為40億年前太陽系後期重轟炸期時,有大型小行星撞到火星北極上,破壞火星地幔的物質循環,繼而令磁場漸漸消失。火星北半球地理特徵及殘餘磁力線分佈似乎支持小行星撞擊說。


https://www.litenews.hk/?p=50865

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