文 ｜ 《中國科學報》記者 馮麗妃
9月26日，中國“祝融號”火星車在烏托邦平原實施的全球首個雷達探測結果出爐，發表於《自然》雜誌，引人注目。
中國是全球首個在地外天體上開展巡視雷達探測的國家。
迄今，人類在地外天體上共開展了4次巡視雷達探測，其中3次來自中國。
前兩次是我國嫦娥三號和嫦娥四號，分別首次實現對月球正面和背面淺表結構的精細探測。
此次研究背後有哪些故事？科學家如何完成我國首次火星探測任務首批雷達資料分析？雷達探測能告訴我們哪些火星演化秘密？《中國科學報》就此採訪了中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）火星研究團隊。
“祝融號”火星車在烏托邦平原進行巡視雷達勘測，揭示了該區域精細地下分層結構和物性資訊。鄧俊繪圖
“一件幸福的事”
2021年8月中旬，中科院院士、時任地質地球所所長吳福元和中科院院士、首次火星探測任務首席科學家潘永信第一時間整合全所優勢力量，展開建制化集中攻關。
攻關團隊負責人、地質地球所研究員陳凌與同事們的工作節奏隨即切換到“衝刺”模式。
擺在面前的任務無疑是時代賦予的光榮使命，但在火星開展雷達探測沒有先例可循，資料分析需要特別謹慎。
航天載荷由於受到功耗、體積和重量等的約束，而且無法像在地面那樣進行反覆觀測，導致其原始資料的信噪比通常很低。
如何從中提取地下結構的有效反射資訊成為擺在研究團隊面前的第一道難關。團隊群策群力、反覆研判，提出了識別和提取有效訊號的合理方案。
陳凌向《中國科學報》介紹，“祝融號”雷達天線與火表之間有幾十釐米的距離，發射訊號和反射訊號在火星大氣介質裡傳播後會造成強幹擾，掩蓋一些地下資訊。
同時，雷達能量往下穿透會越來越弱，如何在噪聲干擾中把來自深部的弱資訊提取出來也是個難題。
研究團隊中，有嫦娥三號和嫦娥四號雷達探測資料處理和分析經歷的研究者與大家分享經驗。實際資料分析從10月中旬開始，經過一個半月的連續作戰，他們終於解鎖了雷達“密碼”，獲得了夢寐以求的高質量訊號剖面。
與此同時，另一部分團隊成員持續動態地對雷達資料可能反映的地質活動積極開展解譯，儘可能做到“言之有物，言之有據”。
在這支老中青三代科研人組成的攻關團隊裡，長者掌舵，出謀劃策；年輕人奮勇向前，幹勁十足。
為了確保結果的可靠性，大家分成了多個獨立小組，“背靠背”開展處理工作，確保處理流程的合理性與可靠性。這為後續的地質解譯奠定了堅實的資料基礎。
功夫不負有心人。2021年11月30日凌晨，隨著陳凌按下網頁上的確定傳送鍵，將研究團隊歷經一個多月分析、製圖、寫作的稿件投了出去。
一週後的12月6日，他們收到《自然》主編“準備送審”的回信。這讓團隊裡的每個人都十分欣喜。
“能夠參與我國首個火星探測計劃天問一號的研究，是一件幸福的事。”作為團隊中的一名青年研究人員，論文共同第一作者、地質地球所副研究員王新為能夠與時代最前沿科學技術同頻共振而自豪，也為團隊成員間高效、愉快的合作而驕傲。
解碼古盆地地質結構
火星是一個二分性十分明顯的行星。“從地形上看，它的南邊是高地、北邊是低地。從地質上看，南邊是比較老的地質結構、北邊相對年輕。”陳凌介紹，“祝融號”著陸區烏托邦平原屬於北方低地，但距離二分性的邊界比較近，觀察的地質現象相對年輕。
據介紹，在此次“祝融號”雷達所探測到的著陸區地下0~80米兩個沉積層序中，位於較深部30~80米的沉積層序可能屬於火星晚西方紀（約35億~32億年前）的北方低地沉積。國內外研究認為，它主要和當時比較強的洪水活動有關。
與此相對，此次雷達探測到的10~30米的淺部沉積層序，比西方紀更年輕，人們對相關的火表改造事件認知不足。
研究團隊推測認為，其形成背景可能包括小型洪水事件、長期風化以及重複撞擊等作用。
“上層沉積層序和下層類似，（粒徑）都是上細下粗，但它只有20米厚，雷達反射的能量也沒有下層那麼強，結合著陸區存在與水活動相關的年輕地貌特徵，因此可以用一次相對短暫的小型洪水活動來解釋。”陳凌說。
同時，由於上層沉積層序更接近火表，研究者認為，就像此前在月球以及美國“洞察號”火星著陸區觀測到的類似現象一樣，也可以用風化作用或撞擊作用來解釋。在這些過程中，因重力作用形成向上變細的沉積層序。
研究者還進一步判斷，現今該區域淺部80米以內沒有液態水存在的證據。
“首先，雷達波的能量遇到液態水會迅速衰減，而此次雷達波的能量相對穩定；其次，火表地下80米以內如果含液態水，介電常數至少大於等於15，而此次反演得到介電常數小於9；此外，‘祝融號’（北緯25度）和美國‘鳳凰號’（北緯68度）熱模擬結果也表明，液態水在該區域地下淺層難以穩定存在。”陳凌說。
不過，基於目前的資料並不能排除80米以內的淺部水以鹽冰形式存在的情況，這類物質的介電常數與沉積物質相當；也未排除火表更深處有水/冰的可能，因為著陸區附近有距今1000萬年的年輕“壁壘撞擊坑”，即隕石撞擊火表時，深部流體濺出在外圍形成荷葉狀邊緣的撞擊坑。
這些研究得益於我國地外雷達探測技術和裝置的快速發展。研究共同作者、地質地球所研究員張金海表示，“祝融號”攜帶了兩個頻段的探測雷達，其中低頻雷達可以米級的解析度探測到地下數十米到百米左右的結構，而高頻雷達可以釐米級的解析度探測到地下5米左右的更精細結構。
美國“毅力號”的探測區域為傑澤羅撞擊坑邊緣，其雷達實際最大探測深度為15米。
與強大的功能形成反差的是，“祝融號”高低頻段雷達的“身板”很迷你，總重量僅有6。1公斤。
據張金海介紹，“祝融號”雷達載荷與嫦娥三號、嫦娥四號攜帶的相關載荷一樣，都由中科院空天資訊創新研究院研究員方廣有團隊設計製造。
值得注意的是，論文共同作者、中科院國家空間科學中心研究員劉洋今年5月發表於《科學進展》的另一項基於“祝融號”短波紅外光譜和導航地形相機資料的研究結果也證實，著陸區附近有水活動跡象，與此次研究結果相互佐證。
未來會做得更好
對於此次最新的研究結果，研究團隊選擇以“開放獲取”形式發表。陳凌表示：“這是希望讓更多的人瞭解中國首個火星探測計劃所取得的成果。”
陳凌表示，下一步，圍繞火星雷達探測要做的工作還有很多。除了聚焦雷達反射特徵隨深度的變化外，其反射特徵的橫向變化也需要進行分析。
同時，此次研究給出的介電常數僅是介質性質的一個引數，其他的性質引數如衰減及其隨頻率的變化等，都需要做更精細的分析。此外，觀測資料需得到更好的理解，結合理論建模模擬也應進一步加強。
為應對沙塵天氣和冬季極低的環境溫度，“祝融號”於今年5月轉入休眠模式，預計12月前後恢復正常工作。
“隨著更多的資料不斷被採集和分析，我們對火星的認識會越來越深入。同時，隨著國家深空探測經驗的積累，未來我們一定會做得更好。”陳凌說。
《中國科學報》 (2022-09-27 第1版 要聞 原標題為《透視地下80米，他們解開雷達資料“密碼”》)
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
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