科学家们在实验室中重现了火星环境，以研究在火星上发现的独特的蜘蛛状地质特征。这些地貌是由太阳光加热冰下土壤形成的，它们促成了模拟火星大气和探索土壤喷射过程的突破性实验。
在美国宇航局火星勘测轨道飞行器于2018年拍摄到的这一蛛网状地形示例中看到的深色斑点，据信是二氧化碳气体羽流从地表喷出的土壤。JPL 的一组实验试图在实验室中重现这些蜘蛛状地形。图片来源：NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学
自从 2003 年通过轨道飞行器的图像发现这些地貌以来，科学家们对遍布火星南半球的蜘蛛状地貌惊叹不已。没有人完全确定这些地质特征是如何形成的。每个分支地形从头到尾可以延伸超过半英里（1 公里），包括数百条细长的"腿"。这些地貌被称为"栅栏状地形"，通常成群出现，使火星表面呈现出褶皱的外观。
在美国宇航局火星勘测轨道飞行器于2018年拍摄到的这一蛛网状地形示例中看到的深色斑点，据信是二氧化碳气体羽流从地表喷出的土壤。JPL 的一组实验试图在实验室中重现这些蜘蛛状地形。图片来源：NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学
主流理论认为，蜘蛛是由涉及二氧化碳冰的过程形成的，而地球上并不存在天然的二氧化碳冰。通过在《行星科学杂志》（The Planetary Science Journal）上发表的一篇新论文中详细介绍的实验，科学家们首次在模拟火星温度和气压的条件下重新创建了这些形成过程。
南加州美国宇航局喷气推进实验室的劳伦-麦基翁（Lauren Mc Keown）说："蜘蛛本身就是一种奇特而美丽的地质特征。这些实验将有助于调整我们的模型，以了解它们是如何形成的。"
这项研究证实了所谓的基弗模型所描述的几个形成过程：每年冬天，阳光透过火星表面堆积的透明二氧化碳冰层，加热土壤。由于土壤的颜色比上面的冰更深，土壤会吸收热量，使最靠近土壤的冰直接变成二氧化碳气体，而不会先变成液态，这个过程被称为升华（与干冰冒出"烟雾"的过程相同）。
下面是 JPL 的 DUSTIE 的内部情况，这是一个酒桶大小的舱室，用于模拟其他星球的温度和气压--这里是火星南极的二氧化碳冰层。在该舱内进行的实验证实了被称为"蜘蛛"的火星地貌是如何形成的。图片来源：NASA/JPL-Caltech
随着气体压力的增加，火星冰层出现裂缝，气体得以逸出。当气体向上渗出时，它带走了降落在冰表面的土壤中的黑灰尘和沙子。根据这一理论，当冬去春来，剩余的冰层升华时，这些小规模喷发留下的蛛网状疤痕就会消失。
在实验室中再造火星
对麦基恩和她的合著者来说，进行这些实验最困难的部分是重现火星极地表面的条件：极低的气压和低至零下 301华氏度（零下 185摄氏度）的温度。为此，Mc Keown 使用了JPL 的一个液氮冷却试验室，即 Dirty Under-vacuum Simulation Testbed for Icy Environments（DUSTIE）。
"我爱 DUSTIE。它具有历史意义，"麦基翁说，这个酒桶大小的舱室曾被用来测试为美国国家航空航天局火星凤凰号着陆器设计的研磨工具原型。该工具用于破碎水冰，飞船在火星北极附近舀起并分析了水冰。
在 JPL 的 DUSTIE 试验室进行的实验中，火星土壤模拟物中出现了这些类似于红色星球"蜘蛛"的形态。模拟土中冻结的二氧化碳冰被下面的加热器加热，重新变成气体，最终从冻结的顶层裂开，形成羽流。资料来源：NASA/JPL-Caltech
在这项实验中，研究人员将火星土壤模拟物放在一个浸没在液氮浴中的容器中进行冷却。他们将其放入 DUSTIE 试验室，在这里，气压被降低到与火星南半球的气压相似。二氧化碳气体随后流入舱内，在三到五个小时的时间里从气体凝结成冰。经过多次尝试，麦考恩才找到了合适的条件，使冰变得足够厚和透亮，从而使实验成功。
他们得到了具有适当特性的冰后，在模拟物下面的舱内放置一个加热器，使其升温并使冰裂开。当 Mc Keown 终于看到粉状模拟物中喷出一股二氧化碳气体时，她欣喜若狂。
这段视频显示的是火星土壤模拟物在 JPL 实验室实验中喷发出的羽流，该实验旨在复制被认为是形成被称为"蜘蛛"的火星地貌的过程。当一位多年来一直试图重新创造这些条件的研究人员发现这股羽流时，她欣喜若狂。图片来源：NASA/JPL-Caltech
暗色羽流在喷出模拟液时在模拟液上开了几个洞，在所有加压气体被排出之前，模拟液的喷出时间长达 10 分钟。
实验中出现了一个基弗模型中没有反映出来的惊喜：冰在模拟物的颗粒之间形成，然后将其裂开。这种替代过程也许可以解释为什么蜘蛛的外表更"龟裂"。这种情况是否发生似乎取决于土壤颗粒的大小以及水冰在地下的嵌入程度。
论文合著者、JPL 的塞丽娜-迪尼加（Serina Diniega）说："这是一个细节，它表明大自然比教科书上的形象更混乱一些。"
既然已经找到了形成羽流的条件，下一步就是尝试从上方而不是下方使用加热器模拟阳光进行同样的实验。这将有助于科学家缩小羽流和土壤喷射可能发生的条件范围。
关于蜘蛛地貌，还有许多问题无法在实验室中找到答案。为什么它们在火星的某些地方形成，而在其他地方却没有？既然它们似乎是仍在发生的季节性变化的结果，为什么它们的数量和大小似乎没有随着时间的推移而增长？有可能它们是很久以前留下的，当时火星上的气候与现在不同--因此可以为人们提供一个了解火星过去的独特窗口。
目前，实验室实验将尽可能地接近蜘蛛。"好奇号"和"毅力号"漫游车都在远离南半球的地方探索这颗红色星球，而南半球正是这些地貌出现的地方（也是从未有航天器登陆过的地方）。在北半球着陆的"凤凰"号任务只持续了几个月，就被极地的严寒和有限的阳光所吞噬。
编译自/ScitechDaily