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神秘的火星极地蜘蛛地貌是如何形成的？

简介：科学家一直试图弄清被称为“火星上的蜘蛛”的奇怪外星图案的背后是什么。科学家们使用一片二氧化碳冰（也称为干冰）和一台模拟火星大气的机器，成功地在实验室中重建了缩小版本的蜘蛛。当冷冰与温度更高的火星状沉积物接触时，部分冰立即从固体转变为气体（称为升华过程），形成蜘蛛状裂缝。

2018年5月13日，美国国家航空航天局的火星侦查号航天器在火星南极抓拍到了下方这张照片，火星的这一片区域显示有类似蜘蛛形状的图案。【图片来源：美国国家航空航天局】

图一、卫星照片——火星极地蜘蛛形地貌

歌手大卫·鲍伊在他的专辑《齐格·星尘》的同名歌曲里曾写到齐格弹奏着吉他，和他的朋友们在一起，还有那火星上的蜘蛛。现如今英国的科学家们正试图利用干冰来研究这个真正拍摄自火星的“蜘蛛”图案背后隐藏的涵义。

当然，卫星照片上显示的近乎诡异的图案肯定不是真正的蜘蛛，这是一种火星上特有的地貌，发现于大约二十年前。因为其发散的分支以及黑色的阴影，近期才被被研究者们命名为蜘蛛状辐射丘。

这些巨大的图形边界跨度达到3300英尺（1公里），地球上完全找不到类似的东西或现象。但是科学期刊在2021年3月19日发布了一篇文章，文中提及根据最新的研究表示，科学家们已经在实验室利用一块干冰以及火星气候仿真机器成功模拟出了该现象的缩小版。当温度偏低的干冰块与温度相对高的火星表层沉积物（模拟物）接触时，干冰会从固体状逐渐气化（这一现象被称之为升华）。升华后的气体从干冰中释放时催生了若干裂缝，形状酷似蜘蛛。该文章的首席作者同时也是英国开放大学的行星科学家劳伦·麦克考温表示：“该项研究首次通过试验证明了火星极地的地貌变化过程。通过航天器拍摄到的这个蜘蛛形地貌可以直接通过干冰升华过程进行模拟复制。”

图二、实验室模拟的火星地貌模型

上图是实验室模拟出来的“蜘蛛形”地貌模型，如同拍摄到的火星地貌一样，那些地丘的深度由中心向外越来越浅。【图源：科学期刊】

根据美国国家航空航天局的数据显示，火星的大气中含有高达95%的二氧化碳，而火星两极地带在冬季形成的冰霜物质也是由二氧化碳组成的。在2003年的一项研究中，有学者们曾假设火星上的蜘蛛形地貌可能形成于春节，阳光透过透明的干冰层照射到下层的土壤，升温后的土壤使得干冰从底层开始升华气化，即干冰逐渐由固体转变为气态，气体的逐步释放导致了底层压力不断升高直至最终上层的干冰形成裂缝。积压许久的气体从这些裂缝中不断喷涌而出，最终形成了能被我们观测到的蜘蛛形地貌。

直至此次研究之前，科学家们都未曾找到方法在地球环境中来验证这个理论，因为地球的气候特征与火星完全不同。而此次，英国开放大学的科学家们设计出了一个火星气候模拟舱，并在舱内铺放了厚厚一层的砂粒，在不同批次的试验中使用了不同颗粒度的砂粒。这个模拟舱同时还安装有一个抓握工具，可以将干冰块临时悬挂于砂粒层之上。科学家们首先调整舱内的温度压力等参数来模拟火星上的气候，然后再将干冰块缓慢放置到砂粒层上。

图三、实验装备——火星气候模拟舱

图四、实验舱内部架设

此次的研究实验证实了这个关于蜘蛛形地貌形成的理论是有效可靠的。实验过程中可以发现，无论砂粒的颗粒度是大是小，干冰的气化升华始终都是从底层与砂粒的接触面开始的，随着气体的不断释放，由下而上逐步产生蜘蛛腿形状似的裂纹。据科学家们表示，当砂粒越细时蛛腿状裂纹越多，当砂粒越粗时裂纹越少。

虽然并未最终确定，但是这次的研究首次通过试实验复制出了类似的火星蜘蛛地貌，这是一项具有非凡意义的科学成就。

BY: Brandon Specktor

FY: Connie彦

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