2009年10月9日星期五

科学松鼠会

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火星探测风向标:从水到宜居环境

Fri, 09 Oct 2009 13:10:16 +0800

(本文已刊载于《太空探索》杂志2009年第9期)

John Grotzinger 文 Shea 编译

寻找水一直是火星探测的指导方针。但未来的火星探测将从水转向对火星宜居环境的详细研究,期望能以此揭示出火星环境的历史、甚至是有关地外生命的新发现。

现在我们正处于火星探测的黄金时代。两辆火星车和三个火星轨道飞行器正在不断地分析火星过去以及目前的环境状况。这些探测任务都汲取了过去火星探测计划所取得的经验和教训,且都在它们既定的服役期内表现良好。每一个探测器都取得了令人印象深刻、有时甚至是令人惊叹的结果。对于所有这些火星探测器而言,它们在火星探测上所表现出的最显著一点就是彼此在战术以及战略上的高度协同性。对不同探测器所获得数据的综合分析使我们以前所未有的深度了解了从40亿年前就开始不断改变着火星表面的多种环境过程。

这些协同作战的探测任务给我们带来了许多出人意料的结果。现在我们知道,火星的表面已经在水的作用下变得面目全非。一些非常古老的玄武岩地壳提供了在火星历史上最早的20-30亿年里有水存在的证据,这些地壳曾经被有水参与的过程改变过,进而产生了多种不同的水成层状硅酸盐矿物。此外在一些地方还发现了沉积岩,在火星表面也发现了诸如冲击三角洲这样的地貌。在距离现在更近的火星历史中也显现出了有水存在的证据,但是这些水的分布没有早期的那么广泛。

无疑,水在塑造火星表面的过程中起了主导作用,尽管这一结论在科学上是令人激动的,但是它也使得所有的探测计划都采取了跟着"水"走的策略。对于计划于2011年发射的"好奇"号火星车(原名"火星科学实验室")来说,这一策略将被细化成搜寻火星上过去以及现在的宜居环境。

[图片说明]:火星车的比例模型。从左至右分别为火星探险漫游者("勇气"号和"机遇"号孪生火星车)、火星探路者(中)和"好奇"号。版权:NASA/JPL。

宜居性

大致来说,所谓宜居的环境并不单单指要有水的存在,还需要碳和能量。只有这样才能驱动生命体的新陈代谢,并且提供所需的有关物质。为了实现这一目标,"好奇"号是最佳的选择。它会搜寻火星岩石、土壤以及大气中的有机碳,测定岩石和土壤的矿物学差异,并且以从来没有的高分辨率拍摄火星地貌。它还可以在原地确定岩石和土壤的化学成分,或者是遥感远处岩石和矿物的化学组成,寻找岩石和土壤中的水,测量目前的环境变量,并且连续地监测太阳和宇宙的辐射。不过现在"好奇"号的最终着陆地点还没有确定,但是候选地点已经缩减到了4个:埃伯斯沃尔德环形山(24°S,327°E)、霍尔登环形山(26°S,325°E)、莫斯山谷(24°N,341°E)和盖尔环形山(5°S,137°E),这4个地点都拥有古代水成过程的清晰证据。

对宜居环境的探测是重要的一步,而不仅仅是为了寻找火星生命。尽管具有在岩石和土壤中探测复杂有机分子的能力,但是"好奇"号无法识别和现存火星微生物代谢有关的生物过程,也无法拍摄微生物或者微生物化石的照片。火星上复杂的有机分子有可能来自生命体,但是也有可能是由含碳的陨石带到火星上的。因此寻找这些有机分子中能把物理过程和生命迹象区分开的模式、结构以及化学成分就显得至关重要。"好奇"号将会探测分析特定的生命迹象,例如岩石中有机和无机碳的同位素成分、特殊元素和矿物的浓度以及特殊的岩石材质等。最后它还会探测火星大气中特定成分的浓度和同位素组成,例如最近在火星大气中发现了甲烷,而甲烷有可能就是由生命体产生的。

与以往以寻找过去和现在有水存在的证据相比,对于火星宜居环境的探究更具有挑战性,其主要原因是有机碳即便形成的时候非常丰富也极难保存。有机碳很容易就能被破坏,因此在含有各种氧化剂的火星表面环境下寿命很短。此外,即使生命迹象被包裹而形成了稳定的矿物,它也会在氧化剂循环的过程中被破坏。

[图片说明]:火星探测器着陆地点分布图。蓝色圆圈代表已着陆地点,从左至右分别为"凤凰"号、"海盗"1号、火星探路者、"机遇"号、"海盗"2号和"勇气"号。黑色圆圈代表"好奇"号的候选着陆地点,从左至右分别为霍尔登环形山、埃伯斯沃尔德环形山、莫斯山谷和盖尔环形山。版权:NASA/JPL。

如果火星上曾经存在过微生物,那么火星古代岩石中应该会保留有这些生命迹象。同样的过程也发生在了地球上。长久以来,研究地球早期地质学纪录的科学家就把注意力集中到了岩石身上,因为它们能在最大的程度上保存这些生命迹象。但是,使得环境可以承载生命的一些条件,例如水、氧化剂、热源、化学成分以及光照等,也会破坏这些生命迹象。因此鲜有能真正完好保存这些证据的环境。

"好奇"号对有机化合物的搜寻也因此变成了对有机物最佳保存地的搜寻。同时在地球上所获得的经验也不能作为唯一的参考,火星很可能具有其特有的能保存有机化合物或者是其他生命迹象的古环境。

环境记录

但是地球着实教会我们的一点是,即便在寻找早期生命迹象的过程中一无所获也不必灰心。古生物生命迹象的缺失会以对早期环境演化历史以及相关过程的了解作为补偿。对前寒武纪沉积记录的研究通常集中在对古生物的识别上,但是这些研究也揭示出了氧化状态、酸碱性以及矿物在海洋和大气中的长期变化。在火星上也许也能够获得同样的有关环境演化的历史。一个没有生物圈的类地行星的表面环境历史将是一个和地球历史进行比较不可多得的样本,这将帮助我们了解地球究竟有多特殊。记录下火星环境历史的岩石和矿物也可能保存有生物迹象。因此,"好奇"号在寻找火星生命迹象的同时也会探测火星早期的环境过程与历史。

"好奇"号4个候选着陆地点各自有着与众不同的地方,但是它们也有着两个重要的共同点(详见"火流星"网站之《为火星探测寻找最佳着陆地点》《下一代火星车在哪着陆?》)。一是根据矿物学和/或者形态学特征这些地方曾经有水存在,二是当地存在几百到几千米厚的层序地层,这就意味着有沉积岩的存在。行星表面演化的历史记录大多就"书写"在这些岩石里,作用在行星表明的过程会在沉积岩中留下蛛丝马迹。在地球上的经验表明,沉积物和沉积岩可以高分辨率地记录下过去和现在的气候、构造以及生物学过程,并且提供在行星演化的过程中所出现的重要事件的信息。而在水中沉淀而成的沉积岩则尤为重要,因为它包含了从局部到全球和地质化学以及生物化学过程有关的元素与同位素变化的信息。尽管其他诸如火山地貌热液矿床中的岩石也可能会拥有和宜居性有关的信息以及保存较好的生命迹象,但是在地球上的经验显示沉积岩才是保存这些东西的最佳材料。

[图片说明]:由火星奥德赛探测器上的热辐射成像系统在白天红外波段下所拍摄的"好奇"号的候选着陆地点。从左至右分别为霍尔登环形山、埃伯斯沃尔德环形山、莫斯山谷和盖尔环形山。它们是探测火星宜居环境的最理想地点。版权:NASA/JPL/THEMIS。

火星历史

法国小说家马塞尔·普鲁斯特(Marcel Proust)曾提醒我们,真正的发现之旅并不仅仅是寻找新的大陆,还需要有一双新的眼睛。得益于过去和现在的成像光谱仪以及高分辨率照相机,我们已经初步了解了火星表面环境的早期演化。接下去根据火星全球范围的矿物和地貌得出其详细的历史则是更为重要而巨大的一步。

现在认为,行星环境长期演化的秘密就隐藏在矿物组合的历史中。按照这个观点,古代火星的地壳先是被中性液体改变并形成层状硅酸盐矿物,然后又在酸性液体的作用下形成了大量的硫酸盐矿物,而硫酸盐矿物极有可能就是在先期形成的硅酸盐矿物的基础上形成的。

这个观点既具有创新性,又也许能解释许多现象。如果这一演化模型是正确的,那么这两种矿物会非常靠近。这也正是"好奇"号的着陆地点必须要能直接提供层状硅酸盐和硫酸盐矿物组合的原因。所有四个候选的着陆地点都含有层状硅酸盐矿物,而盖尔环形山则可能还拥有从层状硅酸盐转变到硫酸盐矿物的遗迹。然而,所有这些着陆地点都能为"好奇"号评估、发展我们对火星演化的认识提供机会。

对宜居性的关注使得"好奇"号兼顾了希望和前景。希望指的是也许可以找到生物学过程留下的些许印迹。而前景则是"好奇"号将会为我们带来有关火星早期环境演化的最新认识。单这一项就是价值连城的。

[Nature Geoscience 2009年04月]
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【专题】世博会的科学传奇

Thu, 08 Oct 2009 16:19:58 +0800

截止发稿时,距2010上海世博会开幕还有205天。

想想几乎所有的北京奥运会比赛都是坐在电视机前看的,估计上海世博会很多人还会经历如此命运,不知你不是不也和我们一样有一丝惆怅,但其实也无妨,本次专题至少可以为你奉上先睹为快,精神上的愉悦——相当美好!

shibo

有滋有味读完了赵致真老师两篇长文章,兴致不由大发。《世博会的科学传奇——汽车神话》让我们知晓,在福特T型车风靡世界之前,原来还有这样和那样巧妙但却未被沿用下来的"概念机"、"试验机"。据线人消息,本届世博会上中国上汽集团和美国通用公司联合建造的"奠基未来"馆将向预计7000万观众展示最新的汽车工业研发成果,可回望一下1851年的伦敦世博会交通馆,与火车比肩而立向世人展示的是各式各样的马车(据说那时"美国纽约每天清除马尸40具,马粪130万磅"),汽车在那时几乎是个幻想般的概念,而今却早已遁入千家万户,变得稀松平常。另一篇《世博中的科学传奇——凝固的乐章》,则将与世博有关的各大建筑梳理了一番——从水晶宫到自由女神像,从"原子塔"到"摩天针",回顾这一个个梦幻般的构想如何实现� 过程,从而带出它们背后的时代特质和社会文化价值取向。

 

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