考古是一项寻找和获取古代人类社会实物遗存,进而研究人类历史的一门综合性研究学科,对人类社会发展有着重大意义。然而,在经历了成千上万年的气候变迁、地质运动和人类活动的破坏后,不少古代遗迹逐渐消失在了人们的视线中。曾经的文化中心或许已经变成了不毛之地,仅存在于史书、甚至口口相传的故事中。

人类进入太空时代后,解决这个问题有了新的方案,利用天基雷达的遥感成像技术。它通过卫星平台主动向地面发射电磁波,回波成像。如果综合利用合成孔径、多频段和多天线干涉等技术,能形成高清晰度的三维立体目标区域空间信息。这项技术无视遥感区域的光照情况和气候条件,可以穿透大气、云层、植被、甚至干燥的浅层土壤,对于大范围地形地貌研究有着无法取代的价值。其中一个应用,就是“太空考古”。

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图中橙色线条为古长城痕迹(图片来源:NASA)

一个经典案例是对中国古长城的深入发现。中国“万里长城”有很多知名的留存景点,但不少长城的古代痕迹早已逐渐消失在无人区中,甚至被植被、沙漠、雪原等覆盖,很难通过实地考察去搜寻到连续的建造痕迹。1994年4月和10月,奋进号航天飞机两次进入太空,它的核心科研任务是全面测试天基成像雷达(Spaceborne Imaging Radar),这是一个三频段的合成孔径雷达,能实现全天候、全天时、高精度、大范围的对地勘测。通过分析它飞经北京西部约1000千米处对荒漠区域的数张成像,科学家们惊奇地发现了共计约150千米长的古长城痕迹。当地虽然有人类农业开发的痕迹,但人们并未意识到脚下就是古长城,而这一切在太空中看起来如此明显。

SIR雷达对吴哥古城的成像(图片来源:NASA/Manfred Werner注释)

这次技术测试还有着众多让人意外的科学发现。例如,在撒哈拉沙漠的地下发现了尼罗河的古代河道痕迹,从古河道到新河道的变迁发生在1万年前,这或许能帮助考古学家们解释北非文明、乃至古人类文明的演化历程。在对柬埔寨吴哥古城的成像分析中,科学家们也进一步扩展了人类对这座古城的认知,在它的边缘和地下发现了更多古迹。

随着雷达技术的逐渐进步,人类通过天基合成孔径雷达(SAR)考古的水平也快速提升,为我们带来更多发现。事实上,这种技术不仅能用在地球上,还能用来对地外天体“考古”。

一个著名应用是对金星地形地貌的研究。金星环境极其恶劣,拥有稠密大气,气压是地球的92倍,阻挡了大部分光线抵达金星表面,几乎无法通过光学设备观察。大气成分中96%为二氧化碳,极强的温室效应导致全球都是超过400摄氏度的高温,且含有大量的硫化物,对它着陆探测的难度也极高。如果借助雷达技术探测,就会方便很多,且能穿过云层持续观察获得全球地形地貌图。这也是NASA金星探测器麦哲伦号获得巨大成功的核心原因之一,对于人类了解金星的演化历史大有裨益。

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麦哲伦号探测器合成孔径雷达数据绘制而来的金星全景(图片来源:NASA)

在火星,雷达也有着卓越非凡的发现。2018年,科学家们公布了欧空局火星快车号探测器在火星南极极冠之下1.5千米处的重大发现。利用地表穿透雷达回波探测到的地下介电常数异常数据,他们发现了一个直径约20千米的疑似地下水富集区域,极有可能是个巨大的湖泊,相较而言杭州西湖最宽处仅约3.2千米。火星地下水湖的发现,是探测火星历史上里程碑式的重大发现,这里或许隐藏着火星深层次的地质演化历史。

火星疑似地下水湖的发现(图片来源:USGS)

不仅是飞在天体上空的轨道器,落在天体表面的着陆器和巡视器也可以使用雷达技术。2019年1月3日,中国嫦娥四号探测器成为人类史上唯一降落在月球背面的探测器,随后释放了玉兔二号月球巡视器,它的重要仪器之一是探月雷达,可以探测月球土壤几十米深处的情况。中国科学院国家天文台研究员李春来、苏彦领导的科研团队

,根据获得的物性参数和雷达图像,沿着月球车行走的106米的路径,在深度40米的范围内,识别出了三个不同次表层地层单元。他们首次揭示了月球背面着陆区域地下40米深度内的地质分层结构,发现地下物质由低损耗的月壤物质和大小不同的大量石块组成。这一研究成果对于了解撞击过程对月表的改造、火山活动规模与历史等具有重要意义。

嫦娥四号着陆区地下分层结构

因而,雷达技术不仅可以用于在地球上对人类痕迹考古,还可以被深空探测器带向地外天体,甚至着陆到天体表面,研究这些天体的演化历史和痕迹。随着人类迈向深空的脚步越来越远,雷达也将为人类揭开宇宙天体的更多神秘面纱。