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火星土壤

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2014年2月9日，「好奇號」穿越「野狗峽」沙丘後看到的火星土壤和巨石(圖像已轉換為類似地球大氣層視圖，原始圖像 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）)。

火星土壤（Martian soil）是在火星表面發現的細粒表岩屑，它的特性可能與地球土壤的特性有明顯差異，包括因高氯酸鹽的存在而產生的毒性。「火星土壤」這一術語通常指更細的表岩屑，到目前為止，還沒有採集的樣本被發回地球，這將是火星採樣返回任務的目標，但目前已通過火星車和軌道器對火星土壤進行了遠程研究。

在地球上，「土壤」一詞通常含有有機成分[1]。相比之下，行星科學家採用了土壤的功能定義來將它們與岩石區分開來[2]。岩石通常是指具有高熱慣性的 10 厘米大小和更大材料（如碎塊、角礫岩和裸露的露頭），其面積分量與海盜號紅外熱成像儀 (IRTM) 數據一致，且在當前風成條件下不可移動[2]。因此，岩石被歸類為超過溫氏分級表上鵝卵石大小的顆粒。

這一方法使得火星遙感能在從伽馬射線到無線電波範圍內的電磁頻譜保持一致。「土壤」一般是指其他所有鬆散未固結、能被風颳起的細粒物質[2]。因此，土壤包括了在着陸點識別到的各種表岩屑成分，典型的種類包括：底床沉積層（bedform armor）、岩粒、結核、漂移物、塵埃、岩石碎屑和沙子。功能定義強化了最近提出的一種類地天體（包括小行星和衛星）土壤的通用定義，即一種鬆散、化學風化的細粒礦物或有機材質表層，厚度超過厘米級，含有或不含粗糙成分和膠結部分[1]。

火星塵埃通常意味着比火星土壤（直徑小於30微米的碎屑）更細的物質，但由於目前的文獻尚缺乏完整的土壤概念，因此對土壤定義的意義仍存在分歧。行星科學界現已普遍採用「植物生長介質」這一實用定義，但一種更複雜的定義將土壤描述為行星體表面的「（生物）地球化學/物理變化物質，其中包括外星地表的大地沉積物」。該定義強調，土壤是一種保留相關環境歷史信息的物體，無需生命的存在就可以形成。

毒性

由於含氯的高氯酸鹽化合物濃度相對較高[3]，火星土壤具有毒性。氯元素是在旅居者號火星車的局部調查中首次發現的，並已得到勇氣號、機遇號和好奇號的證實。火星奧德賽號軌道器還檢測到穿過行星表面的高氯酸鹽。

美國宇航局鳳凰號着陸器首次探測到氯基化合物，如高氯酸鈣。在火星土壤中檢測到的含量約為0.5%，這一水平被認為對人類有毒[4]，同樣，這些化合物對植物也有害。2013年的一項地面研究發現，當達到火星上所發現濃度的相似水平（0.5克/升）會導致：

  • 植物葉片中葉綠素含量顯著下降；
  • 植物根系氧化能力降低；
  • 植物的地上和地下尺寸縮小；
  • 葉子中濃縮的高氯酸鹽會積累。

報告指出，所研究的植物種類之一—鳳眼藍似乎對高氯酸鹽具有抗性，可用來幫助清除環境中的有毒鹽，儘管植物本身最終會含有高濃度的高氯酸鹽[5]。另有證據表明，一些細菌能夠克服高氯酸鹽[6][7]，甚至靠它們生存，但抵達火星表面的高強度紫外線附加效應會打破分子鍵，產生更危險的化學物質。地球實驗室進行的試驗表明，這些化學物質對細菌的致命性比單純的高氯酸鹽還要高[8]。

粉塵危害

美國宇航局早就認識到火星塵埃對人類健康的潛在危險，2002年的一項研究警告了潛在的威脅，並使用火星上最常見的橄欖石、輝石和長石等硅酸鹽進行了研究。發現塵埃與少量水發生反應，會產出生高度反應的分子，這些分子在石英開採中也會產生，已知會使地球上的礦工罹患呼吸系統疾病，包括癌症（研究還指出，月球塵埃可能更糟）[9]。

在此之後，自2005年以來，美國宇航局火星探測計劃分析小組（MEPAG）一直致力於確認塵埃對人類可能產生的有害影響。2010年，該專家組注意到，儘管鳳凰號着陸器和勇氣號與機遇號火星車有助於解答這一問題，但這些探測器上的儀器都不適合測量倍受關注的特定致癌物[10]。火星2020漫遊車是一項天體生物學探測任務，它還將進行測量，以幫助未來人類探險設計者了解火星塵埃所能造成的所有危害。它應用了以下相關工具：

火星2020探測車任務會暫存樣本，這些樣本有可能被未來的任務回收，然後運送到地球。地球上的實驗室可解決任何尚未在原位得到解答的有關粉塵毒性的問題。

觀察

2012年12月3日，「好奇號」、「機遇號」和「勇氣號」探測車採集的火星土壤樣本比較（二氧化硅(SiO2)、氧化鐵(FeO)除以10；鎳(Ni)、鋅(Zn)和溴(Br)乘以100）[15][16]。
2012年10月7日,「好奇號」火星車首次使用挖斗在「石巢」篩選了一堆沙子。

火星被廣袤的沙塵所覆蓋，表面布滿了岩石和巨石，全球範圍內的塵捲風偶爾也會捲起沙塵。火星上的塵埃非常細小，大量的殘餘物懸浮在大氣層中，使天空呈現紅色。紅色色調是由可能形成於幾十億年前的生鏽鐵礦物所致，當時火星環境還很溫暖潮濕，但現在已非常寒冷乾燥，現代的鐵鏽可能是由於暴露在太陽光紫外線下的礦物形成的超氧化物[17]。據信，由於當今時代的大氣密度非常低，沙子在火星風中只能緩慢漂移。過去，溝壑和河谷中流動的液態水可能形成了火星的表岩屑。火星研究人員正在研究地下水的侵蝕是否正在形成當今時代的火星表土，以及火星上是否存在二氧化碳水合物並在發揮着作用。

首張火星土壤的X射線衍射圖-化學礦物分析儀顯示了長石、輝石和橄欖石及更多的礦物（2012年10月17日，好奇號漫遊車在「石巢」）[18]。

據分析，在火星赤道部分表土中以及高緯度地區的表面仍凍結有大量的水和二氧化碳冰。根據火星奧德賽號探測器高能中子檢測器數據顯示，火星表土中的含水量按重量計高達5%[19][20]。橄欖石是一種易風化的原生礦物，它的存在意味着目前火星上占主導地位的是物理風化而非化學風化過程[21]；土壤中高密度的冰被認為是導致土壤加速蠕變的原因，這形成了火星中緯度區的圓形「軟化地形」特徵。

2008年6月，鳳凰號着陸器傳回的數據顯示，火星土壤呈微鹼性，含有鎂、鈉、鉀和氯等重要營養素，所有這些都是地球上有機生物體生長的成分。科學家們將火星北極附近的土壤與地球上後院花園中的土壤進行了比較，得出的結論認為它們可能適合植物生長[22]。然而，2008年8月，鳳凰號着陸器進行了簡單的化學實驗，將來自地球上的水與火星土壤混合，試圖測試其pH值時，發現了高氯酸鹽的痕跡，同時也證實了許多科學家的理論，即火星表面鹼性度偏高，測量值為8.3，高氯酸鹽的存在使火星土壤比以前認為的更具異域性（見毒性一節）[23]。有必要進行進一步的測試，以消除高氯酸鹽讀數由地球來源引起的可能性，當時人們認為這些來源可能是從航天器遷移到樣本或儀器中[24]。但是，每一台新的着陸器都在當地土壤中確認了它們的存在，而火星奧德賽號軌道器則檢測出它們分布於整個火星表面[4]

火星「薩頓內露層」土壤-2013年5月11日，「好奇號」火星車化學相機激光器的目標。

雖然當前對火星土壤的了解極為初級，但它們的多樣性可能會引發一個問題，即我們如何將它們與地球的土壤進行比較。應用基於地球的系統在很大程度上具有爭議性，一種簡單的選擇是從非生物太陽系中剔除出（大部分）生物性地球，並將所有非地球土壤納入新的《世界土壤資源參考基礎》參考組或美國新分類法序列，可暫時稱之為天體土壤[[25]。

2012年10月17日，「好奇號」火星車在「石巢」對火星土壤進行了第一次X射線衍射分析，結果揭示了存在包括長石、輝石和橄欖石等在內的多種礦物，並表明樣品中的火星土壤與夏威夷火山的「風化玄武質土壤」相類似[18]。自1998年以來，夏威夷火山灰一直被研究人員用作火星表土模擬物[26]。

2012年12月，參與火星科學實驗室任務的科學家宣布，「好奇號」火星車對火星土壤進行的全面分析，顯示了火星上水分子、硫、氯的證據以及存在有機化合物的跡象 [15][16][27]，但不排除有機化合物來源於地球的污染。

2013年9月26日，美國宇航局科學家報告說，火星「好奇號」探測車在蓋爾撞擊坑埃俄利斯沼石巢地區的土壤樣本中檢測到「豐富、易於獲取」的火星上的水（重量百分比為1.5%至3%）[28][29][30][31][32][33]。此外，美國宇航局報告說，好奇號探測車發現了兩種主要的土壤類型：細粒鐵鎂質類和局部衍生的粗粒長英質類[30][32][34]，鐵鎂質類型與其他火星土壤和塵埃類似，與土壤非晶相水化有關[34]。此外，在好奇號火星車着陸點（以及早期更靠近極地的鳳凰號着陸器登陸點）發現了高氯酸鹽，它的存在可能使與生命相關的有機分子檢測變得困難，這也表明「這些鹽類分布於全球範圍」。美國宇航局還報告說，「好奇號」在前往格萊內爾格的途中遇到了一塊岩石—傑克·馬蒂耶維奇，一種橄欖粗安岩，與地球上的非常相似[35]。

2019年4月11日，美國宇航局宣布，「好奇號」火星車鑽探並仔細研究了一處「含粘土單元」，根據火星車項目管理人的說法，這是「好奇號」攀登夏普山之旅的一個「重要里程碑」[36].

「好奇號」鑽探的一處「含粘土單元」[36]
。

人類將需要就地資源來開拓火星，這需要了解當地未固結的大片沉積物，但此類沉積物的分類仍在進行中。目前對整個火星表面的了解還太少，無法繪製出足夠具有代表性的地圖。同時，使用「土壤」一詞來表示火星上未固結的沉積物是正確的[37]。

大氣塵埃

更多資訊：火星大氣層和塵暴痕跡
2020年8月9日，「好奇號」火星車觀察到的火星塵暴。
火星全球探勘者號拍攝的火星塵暴
塵暴在火星表面造成扭曲的黑色痕跡
火星勘測軌道飛行器拍攝到的蛇形塵暴
水手谷中的塵暴(火星勘測軌道飛行器)
2001年4月10日，亞馬遜平原上的火星塵暴(另外 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）) (視頻(02:19) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）)。
火星上的沙塵暴
2018年6月6日[38]
2012年11月25日
2012年11月18日
火星勘測軌道飛行器拍攝的照片標註出了「機遇號」和「好奇號」探測車的位置。

火星上，同樣大小的塵埃會比在地球上更快地從稀薄的大氣中沉落下來，例如，2001 年全球沙塵暴造成的塵埃在火星上大氣層中停留了0.6 年，而皮納圖博火山的塵埃大約需要兩年時間才能落到地面[39] 。然而，在目前的火星條件下，所捲入的運動質量通常比地球上要小得多。即使是2001年火星全球沙塵暴期間也只相當於移動了一層極纖薄的沙塵層—如以赤道南北58度之間均勻的沉積厚度算，大約只有3微米厚[39]。在兩輛火星車地點的塵埃沉積速度大約為每100個火星時一個顆粒的厚度[40]。

地球大氣和火星大氣層中塵埃密度的差異源於一種關鍵因素，在地球上，懸浮在空氣中的塵埃通常通過土壤水分的作用聚集成更大的顆粒或懸浮在海水中，這得益於地球大部分表面都被液態水覆蓋，而火星上這兩種情況都不會發生，因而使得沉積的塵埃可以重新懸浮在火星大氣中[41]。事實上，火星大氣塵埃的成分—與火星表面塵埃非常相似—火星全球探勘者號熱輻射光譜儀觀察到，在體積上可能主要由斜長石和沸石的混合物構成[42]，這些混合物可從火星玄武岩中機械性衍生，並無化學蝕變過程。對火星探測車上磁性塵埃收集器的觀察表明，大氣塵埃中約45%的鐵元素被最大程度地 (3+) 氧化，其中近一半存在於鈦磁鐵礦中[43]。這兩者都與塵埃的機械衍生相一致，水分變化僅限於表面水膜[44]。總的來說，這些觀察結果支持火星上不存在由水驅動的塵埃聚集過程。此外，目前火星表面主要是風活動，火星豐富的沙丘也很容易通過大顆粒碰撞分裂為小顆粒的方式產生出懸浮在大氣中的微粒[45]。

火星大氣中塵埃顆粒的直徑一般為 3 微米[46]，需要注意的是，雖然火星的大氣層較薄，但火星的重力加速度也較低，因此僅憑大氣層厚度無法估計懸浮粒子的大小。微粒中的靜電和范德華力作用，給計算帶來了額外的複雜性。綜合了所有相關變量的嚴謹模擬表明，直徑3微米的顆粒可在大部分風速下無限期地保持懸浮，而直徑20微米的顆粒在風湍流低至2米/秒−1可從地面進入懸浮狀態或在0.8米/秒−1時保持懸浮狀態 [40]。

2018 年 7 月，研究人員報告說，火星上最大的單一塵埃源來自梅杜莎槽溝層[47]。

火星沙塵暴 – 光學深度 – 2018年5月至9月
(火星勘測軌道飛行器火星氣候探測器)
動畫時長1分38秒，2018年10月30日; 文件描述)
2018年7月火星塵暴前後
2001年6月沒有沙塵暴的火星（左圖）和2001年7月全球沙塵暴的火星（右圖），火星全球探勘者號拍攝。
火星納米布沙丘 (下風側)
(好奇號 火星車; 2015年12月17日)。
沙塵暴的侵蝕

地球上的研究

一小堆「約翰遜太空中心火星-1A」土壤模擬物[48]

目前在地球上的研究僅限於使用火星土壤模擬物，這些模擬物基於各種火星航天器的分析。它們只是一種模擬火星表岩屑化學和機械特性的地球材料，用來研究、實驗和原型測試與火星土壤相關的活動，如運輸設備、先進生命保障系統和現場資源利用的防塵措施。

一系列的火星採樣返回任務目前已在規劃，這將能在地球上對實際的火星土壤進行比火星表面原位更先進的分析和更精準的模擬。這些任務是一項首先開始於火星2020着陸器的多部分任務，將在很長一段時間內收集樣本。然後，由第二架着陸器將收集的樣本帶回地球。

更多資訊：火星2020

圖集

  • 2017年1月23日，「好奇號」觀察到的火星上移動的沙子。
    2017年1月23日，「好奇號」觀察到的火星上移動的沙子。
  • 火星上藍色的沙丘 (January 24, 2018).
    火星上藍色的沙丘
    (January 24, 2018).
  • 火星上藍色的沙丘 (增強色；2018年1月24日)
    火星上藍色的沙丘
    (增強色；2018年1月24日)
  • 看上去像「星際迷航」中星際艦隊標誌的沙丘[49][50]。
    看上去像「星際迷航」中星際艦隊標誌的沙丘[49][50]。

另請查看

參引文獻

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外部連結

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