科学家们已经弄清楚为什么火星土壤如此坚硬

2018年11月26日，美国宇航局的“利用地震调查、大地测量学和热传输进行内部探测”（InSight）任务降落在火星上。这是火星探索的一个重要里程碑，因为这是第一次在火星表面部署研究站来探测火星内部。“洞察号”将使用的最重要的仪器之一是德国航空航天中心（DLR）开发的热流和物理特性包（HP3）。这台仪器也被称为“火星鼹鼠”，它在四年的时间里测量了火星深处的热流。

HP3的设计目的是深入火星表面5米（约16.5英尺），以探测火星内部更深处的热量。不幸的是，鼹鼠挣扎着挖洞，最终到了地表以下，这让科学家们感到惊讶。尽管如此，鼹鼠号还是收集了大量关于地表下每日和季节波动的数据。德国航空航天中心（DLR）的一个研究小组对这些数据进行了分析，得出了火星土壤为何如此“坚硬”的新见解。根据他们的发现，火星表面顶部40厘米（~16英寸）的温度导致盐膜的形成，使土壤变硬。

这项分析是由科隆DLR空间操作和宇航员培训机构的微重力用户支持中心（MUSC）的一个团队进行的，该中心负责监督HP3实验。它从火星内部获得的热量数据对于了解火星的地质演化和解决有关其核心区的理论是不可或缺的。目前，科学家们怀疑火星上的地质活动在第三纪晚期（约30亿年前）基本上停止了，尽管有证据表明熔岩今天仍在那里流动。

这可能是由于火星的内部冷却速度更快，因为它的质量和压力都更低。科学家们推测，这导致火星的外核凝固，而内核变成液体 —— 尽管这仍然是一个悬而未决的问题。通过比较洞察号获得的地下温度和地表温度，DLR团队可以测量地壳中的热传输率（热扩散率）和热导率。由此，可以首次估计火星土壤的密度。

研究小组确定，最上面30厘米（~12英寸）土壤的密度与玄武岩砂相当 —— 这是基于轨道飞行器数据没有预料到的。这种物质在地球上很常见，是由富含铁和镁的风化火山岩形成的。在这一层之下，土壤密度与固结的沙子和较粗的玄武岩碎片相当。DLR行星研究所HP3实验的首席研究员Tilman Spohn在DLR的新闻稿中解释说：

“为了了解土壤的机械特性，我喜欢将其与花卉泡沫进行比较，花卉泡沫广泛用于花卉插花。它是一种轻质、多孔的材料，当植物茎被压进去时，就会在里面打洞。在7个火星日的过程中，我们以很短的间隔测量了热导率和温度波动。”
“此外，我们连续测量了火星第二年的最高和最低日温度。40厘米长的热探针深度的平均温度为零下56摄氏度（217.5开尔文）。这些记录记录了每日周期和季节变化的温度曲线，是火星上第一次这样的记录。”

由于火星的硬壳土壤（又名“硬壳”）延伸到20厘米（约8英寸）的深度，鼹鼠设法穿透了40厘米（约16英寸）多一点，远低于其5米（约16.5英尺）的目标。然而，在这个深度获得的数据为火星上的热传输提供了宝贵的见解。因此，研究小组发现，在火星的一天里，地面温度仅波动5至7°C（9至12.5°F），这只是表面观察到的波动的一小部分 —— 110至130°C（230至266°F）。

他们注意到季节性的温度波动为13°C（~23.5°F），同时在火星表面附近的层中保持在水的冰点以下。这表明火星土壤是一种极好的绝缘体，大大减少了浅层深处的巨大温差。这影响了火星土壤的各种物理特性，包括弹性、导热性、热容、土壤内部物质的运动以及地震波通过土壤的速度。

Tilman Spohn说：“温度对土壤中的化学反应、与大气中气体分子的交换也有很大的影响，因此也对火星上可能存在的微生物的潜在生物过程有很大的影响。”“这些对火星土壤性质和强度的见解也对未来人类探索火星特别感兴趣。”

然而，特别有趣的是，在冬季和春季，温度的波动是如何使咸水在一天中形成10个小时的（当大气中有足够的水分时）。因此，这种盐水的凝固是地表下硬壳层最可能的解释。这些信息对未来探索火星的任务非常有用，并试图探测火星表面以下，以了解更多关于这颗红色星球的历史。

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