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火星任務— 解開火星沙丘之謎--《科學月刊》

劉勇君/美國楊百翰大學地質科學系畢業,現為美國亞利桑那州立大學地球與太空科學研究所博士生,研究專長為行星地形學。
梁勝雄/現任職於經濟部中央地質調查所,研究專長為構造地質與活動斷層調查。

太陽系八大行星中,由內往外數第四顆行星,就是火星(Mars),為四顆類地行星之一。古時候觀測星體的主要工具為你我的「肉眼」,而火星肉眼可見顏色為火紅色,常常使人聯想到血腥的戰事,故在西方世界借用古羅馬神話掌管戰爭神祇之名,命名為Mars(「戰神」之意);在中國古代則稱火星為熒惑星,因為「熒熒如火」,且火星常常出現一陣子又消失了,不像其他星體,常駐於天空,而令人感到迷惑,故稱之「熒惑」。

因為人類觀測的工具不斷的進步,從最初的肉眼到望遠鏡,至40年前的火星人造探測衛星觀測,甚至近年派遣登陸器(如機會號)登陸火星「直接」探測。因此,以前不了解的問題,現在都已經揭開神祕面紗。雖然現階段仍然不是人類「親手」碰觸火星表面,但是卻能藉由「比較行星學」認識火星。首先,讓我們先了解什麼是比較行星學?

「比較行星學」的初登板

1971 年美國太空總署(NASA)水手9號太空船(Mariner 9)傳回了火星地表的第一張清晰照片。令科學家驚訝的是,火星的地表特徵(火山、河谷遺跡、隕石坑、沙丘等)(圖一)與地球地貌非常類似,可是我們又沒有親身蒞臨火星,為什麼可以這樣認為呢?主要原因在於地質學家在研究地球上的地質作用時,多會先利用航空照片或衛星影像來輔助判識大區域的地質構造現象或是地質地貌。在了解大區域的地質概況後,才會親身抵達野外實地觀測及考察。

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圖一:維京一號所拍攝的火星表面影像,火星地表地貌與地球非常相似。(Copyright Calvin J. Hamilton)

同理,科學家會藉由太空船或是探測衛星所拍攝的影像,以研究火星地貌及地質作用。科學家假設,他們所「看到」的行星上的地表地貌,是類似於地球上可觀察到的。由此就能根據我們所熟知的地球科學理論,進而套用在解釋其他行星的地質作用,這個研究方法稱為「比較行星學(comparative planetology)」。

火星沙丘的奧祕

在風力作用下,沙丘(dune)是一種常見的沙粒堆積的地貌(圖二)。沙丘通常呈現丘狀或壟狀堆積,一般高度可達幾公尺甚至幾十到幾百公尺。在地球上,沙丘於沙漠地帶分布最廣,不過海岸及河岸的沙灘,也可以找到沙丘的地貌。1976 年美國維京1號(Viking 1)太空船傳回了比水手9號更清晰的影像,科學家發現火星地表有許多大型的沙丘,而且在火星上的沙丘(圖三),長度與寬度都比地球沙丘大上好幾倍,這是由於火星大氣非常稀薄,風力也較小,沙粒較難被風力帶動及堆積。因此需要較長的時間,才能慢慢形成大型的沙丘地貌。

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圖二:蒙古沙漠的沙丘以及波紋。(hbieser)

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圖三:高解析度HiRISE 影像,火星沙丘以及波紋清晰可見。(NASA JPL/HiRISE/ Unversity of Arizona)

在地球沙丘的研究上,沙丘的形態、分佈、排列、規模的演育可做為推論古氣候變遷及地殼變動的參考。如分析沙丘的排列可推得盛行風或季風的風向(圖四);又如知道沙丘的地質年代,就可推論沙丘形成當時的地質年代的盛行風風向,並與現今的風向做一比較,更可推測氣候是如何改變的。火星的沙丘研究也與此研究方向一致,現在科學家相信火星地表過去應有穩定的液態水,研究火星的沙丘有助於推論火星過去的行星風向、大氣環流,以及重要的火星氣候歷史,所以,火星沙丘研究目前是行星科學中,熱門的科學研究議題方向之一。

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圖四:風向(紅色箭頭)不同,將可能形成不同種類的沙丘。(作者提供)

新的研究思維與方向

近十年來,行星科學家根據「火星軌道相機(Mars Orbiter Camera, MOC)」所拍攝的衛星影像發現,有些沙丘可能已形成十幾萬年以上,且從未發生過變化,故推論火星上大部分區域的盛行風向及大氣環流在過去十幾萬年以來都沒有重大的改變。2005年,美國航太總署將更高解析度的「高解析度成像科學設備相機(High Resolution ImagingScience Experiment, HiRISE)」放上火星軌道,HiRISE影像的解析度高達25公分/像素(25公分約為一個平板電腦的大小),比大多數的地球航照圖幅解析度還要高。

分析HiRISE 影像,科學家們觀測到沙丘上非常小的波紋構造(ripple)。波紋構造的波長大約為十幾公分至幾公尺左右。在地球上,波紋大多由近地表的風場(near-surface wind) 所形成。這裡要特別說明一下,利用分析沙丘地貌推得的風場可歸類為盛行風或是長期風場(long-term wind regime),但是分析波紋推得的風場則歸類為近地表風或是短期風場(short-term regime)。地表風場大多代表當季的風向,而盛行風則通常不因季節而改變。由於之前科學家推測,火星近十幾萬年的風向應該沒有太大的改變,所以科學家們也並未特別注意沙丘上的波紋或許可帶來更多分析風向及大氣環流的線索。

直到2010 年時,義大利科學家希爾維斯特(Simone Silvestro)仔細對照兩張相隔五個多月拍攝的HiRISE影像發現,波紋竟然在這段時間移動了2公尺,這是人類對火星沙丘上的波紋進行研究以來,目前已知最快的移動速度,這個研究大大地改變行星科學家對於火星的風場及古氣候之看法,火星沙丘上的波紋也提供了新的研究方向。

美國史密森尼學會國家航空太空博物館(Smithsonian’s National Air and Space Museum,電影「博物館驚魂夜2」的拍攝場地)行星地質學家奇貝曼(James R. Zimbelman),於2013年開始有系統地分析火星不同區域的沙丘波紋,藉由分析波紋形狀可判斷迎風面的風向(圖五),由此可得知近地表風場的環流方向,在他的研究團隊的最新研究中發現,由波紋推得的近地表風場顯得非常複雜,風向可能會因季節而改變,另外,對比分析沙丘得到的盛行風風向後,發現有幾個方向的風在過去幾千或幾萬年都保持不變。

這說明了火星大氣環流的複雜性,在某一些區域的風場每隔半個火星年就會改變方向,而某一些區域的風場卻可能好幾萬年都保持不變,這些新發現讓原本以為已經很了解火星古氣候變遷的科學家們感到困惑不已,勢必需要更多的研究才能解開火星大氣、氣候變遷和沙丘地貌之間的關聯性。

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圖五:經由火星波紋推得的近地表風場,每一條白線代表風向,沙丘北邊風向多為東西向,靠近沙丘風向則變為南北向。(NASA JPL/ HiRISE/ University of Arizona)

後記─細節越多了解越少

在行星科學領域裡,科學家們需要計畫新的太空任務來取得新的觀測影像,也需要細細觀察每個行星表面的衛星影像來判識不同星球上的地質作用。HiRISE 的首席科學家麥克溫(Alfred S. McEwen)曾說道:「我們對火星取得更多的觀測細節,我們就越能感受到火星的獨特之處。」誠如斯言,當我們人類得到越多的火星上的細節,卻發現我們對她的了解越少!每當取得新的資料後,如HiRISE,行星科學家們都期待可以更進一步了解不同行星的表面有哪些自然作用,但往往會衍生出更多、更複雜的科學問題。看起來好像很繁雜、很沒有規律,但這也是行星科學研究迷人之處,永遠讓人有意想不到的驚喜與新的科學發現。談到這裡,您有想要參與「火星任務」嗎?

NASA Citizen Science Planet Four 研究計畫

對於火星任務有興趣的讀者,若想對於這個研究領域有所貢獻,可以參加美國太空總署設計給地球居民的研究推廣計畫,與全世界其他夥伴,一起合力來解決目前尚未解開的火星謎題。該計畫稱為「Planet Four」,是火星表面的大氣研究計畫,希望透過辨識火星表面暗土壤(dark features,為火星季節轉換時,近地表冰層的二氧化碳因氣壓變化從地表噴出,噴出的二氧化碳氣體帶著灰塵顆粒,在地表形成顏色較暗的痕跡稱之)的分佈狀況,用以回推火星的大氣運動模式。自2005 年開始,科學家們取得大量高解析度的HiRISE 影像,但因研究人力不足,科學家們無法仔細檢視每一張HiRISE影像的暗土壤分佈,故美國太空總署的科學家們設計Planet Four,期望讓一般社會大眾或是有興趣研究火星的莘莘學子能參與重要的火星研究計畫,協助檢視HiRISE 影像,並辨識出暗土壤。

更多關於Planet Four 計畫請瀏覽網站。www.planetfour.org

參考資料:

  1. Liu, Z. Y. C. and Zimbelman, J. R., Recent near-surface wind directions inferred from mapping sand ripples on Martian dunes, Icarus, Vol. 261:169-181, 2015.
  2. 石再添等人,〈臺灣西部海岸沙丘之地形學研究〉,《師大地理研究報告》99-148 頁,1993 年。
  3. 何春蓀,國立編譯館主編,〈第13 章- 沙漠和風的作用〉,《普通地質學》,五南出版社,285-312 頁,2004 年。

front本文選自《科學月刊》2015年11月號

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