火星土壤

曾小家

什么是火星土壤？

火星土壤是指火星表面松散、未固結(jié)的土狀細(xì)粒物質(zhì)，普遍分布于火星的表面。與塊狀的火星巖石和基巖不同，火星土壤通常由微米級到厘米級的顆粒物質(zhì)組成，主要為硅酸鹽礦物、鐵氧化物、次生礦物、非晶質(zhì)等物質(zhì)?；鹦峭寥朗腔鹦潜砻鎺r石長期風(fēng)化（風(fēng)、水、冰、溫度變化等）的產(chǎn)物，形成火星土壤的過程包括物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用，通常包括：撞擊破碎、礦物碎裂和風(fēng)蝕作用等物理過程以及氧化、水合、碳酸鹽化和溶解等化學(xué)過程。早期火星存在大量液態(tài)水的時期，化學(xué)風(fēng)化可能是形成火星土壤的主要過程，而在火星液態(tài)水消失的后期，火星土壤形成過程則以物理風(fēng)化過程為主。

火星土壤表面為什么看起來是紅色？

火星土壤表面之所以呈現(xiàn)出紅色，主要是因為火星土壤表面分布著一層細(xì)顆粒的塵埃物質(zhì)，這些塵埃物質(zhì)中含有大量的鐵氧化物（如：三氧化二鐵），顆粒大小通常僅有幾十微米，比頭發(fā)的直徑還小。由于微米級大小的三價鐵氧化物能把可見光中大多數(shù)的紅光波段都反射了出去，而對其他顏色的波段進行吸收，因此我們看到火星土壤就表現(xiàn)出了類似于鐵銹的紅色。

火星土壤探測

為了對火星土壤的性質(zhì)進行分析探測，科學(xué)家們利用火箭向火星表面發(fā)射了火星車和火星著陸器。火星車和火星著陸器上通常都搭載了大量的科學(xué)分析設(shè)備，能夠?qū)鹦潜砻娴耐寥篮蛶r石進行分析，例如，火星車上通常都有相機，類似于人的眼睛，能夠?qū)鹦潜砻娴奈镔|(zhì)進行觀察和拍照；有些著陸器上還有機械臂，類似于人的手，用來挖取火星表面的土壤樣品。火星車和火星著陸器可以獲得豐富的火星土壤科學(xué)數(shù)據(jù)，主要包括：物質(zhì)組成、元素成分、物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、磁性、揮發(fā)分、有機質(zhì)、同位素組成等?？茖W(xué)家們通過對這些數(shù)據(jù)進行深入研究，能夠?qū)鹦潜砻娴牡刭|(zhì)過程、環(huán)境變化、氣候特征等都有深入的認(rèn)識和理解。

目前美國NASA已經(jīng)成功地發(fā)射了8個火星著陸器或火星車，對火星表面的土壤進行了分析探測。中國也計劃在今年（2020年）實施首次火星探測任務(wù)，該任務(wù)被命名為“天問一號”，將同時實現(xiàn)火星的環(huán)繞探測、著陸探測和巡視探測，火星表面土壤的探測也是我國此次火星探測任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)之一。

火星土壤模擬樣品

目前，人類尚未獲得真實的火星土壤樣品，僅收集到200多塊火星隕石。而在火星探測工程實施與火星科學(xué)研究中，需要利用火星土壤樣品開展相關(guān)地面實驗研究，因此，為了滿足火星探測工程實施與火星科學(xué)研究對火星樣品的需求，科學(xué)家們就利用地球上的巖石和礦物，加工出了與真實火星土壤具有類似物質(zhì)組成、顆粒大小、物理與力學(xué)性質(zhì)相似的地球模擬物，這種物質(zhì)被稱為“火星土壤模擬樣品”?；鹦峭寥滥M樣品通常被應(yīng)用于探測載荷定標(biāo)、著陸系統(tǒng)的設(shè)計、巡視器地面行走試驗、探測設(shè)備測試與驗證、宇航服設(shè)計以及其它與火星探測有關(guān)的地面模擬實驗和科學(xué)研究之中。

未來火星土壤的開發(fā)利用

隨著火星探測的持續(xù)開展，人類在不久的將來有希望在火星上建立基地，為了支撐宇航員在火星上的生存，火星土壤被認(rèn)為是未來可被開發(fā)利用的重要資源。具體包括：1）由于火星土壤為細(xì)顆粒的物質(zhì)，因此可以作為火星基地建設(shè)的建筑材料；2）火星土壤中含有大量的鐵，鐵含量可達20 wt%左右，科學(xué)家們已試圖通過攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)，從火星土壤中開采出可用的鐵；3）隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)被認(rèn)為可用于未來火星基地的建設(shè)之中。利用火星土壤模擬樣品開展3D打印，可以制備出復(fù)雜形態(tài)的構(gòu)件；4）科學(xué)家們利用火星土壤，在模擬的火星條件下，已經(jīng)成功地種植出了西紅柿、蘿卜、豌豆、小麥、芝麻菜和裸麥等農(nóng)作物，說明了電影《火星救援》中在火星上種植土豆具有一定的可行性。（編輯/高緯時）