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NASA如何测量火星的热导率

前言

太空和外星物体（如行星）的物理特性，长期以来一直被视为一个神秘而复杂的话题，几个世纪以来一直激发着科学家和好奇者的兴趣。尽管目前有很多试图解释我们今天看到的行星是如何形成的假设和理论，但直到最近，我们才能够开发和部署足够的先进技术，以便能够更好地描绘行星是如何形成的。

红色星球

NASA（美国国家航空航天局）和世界各地的航天机构目前正在进行大量研究和计算机建模，以探索和分析火星上的环境。火星是距离太阳第四远的行星，因其极薄的大气层形成的多尘、寒冷、甜点状的表面而闻名。火星是一个充满活力的行星，拥有冰盖、季节、峡谷和已灭绝的火山结构。地球的直径大约是火星的两倍，生命维持特征包括大量地表水和稳定的环境温度。尽管火星和地球两者存在差异，但火星比太阳系中的任何其他行星都更接近地球。火星和地球有许多相同的地理特征，包括布满山脉、山谷、冰川和冰盖的地貌。火星除了被认为不适合居住之外，它的环境与我们每天在地球上遇到的环境并没有太大区别。火星的一天，仅比我们在地球上经历的大约 24 小时稍长39 分钟，许多科学家甚至认为，火星上现存的干燥环境，曾是一个含有足够水资源来维持生命的环境。

NASA拍摄的火星表面图像
图一：NASA拍摄的火星表面图像

Insight着陆器

为了验证他们关于火星地貌性质的众多假设，美国宇航局的研究人员和工程师开发了漫游车和着陆器来扫描火星表面，并将他们的发现报告给世界各地的枢纽。该领域的最新进展之一是 Insight着陆器的部署，该着陆器于2018年11月降落在这颗红色星球的表面。这架着陆器是第一个超越水平分析并观察行星内部细节的着陆器。Insight是NASA探索计划中的一部分，该计划由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔航天飞行中心管理。包括法国国家空间研究中心 (CNES) 和德国航空航天中心 (DLR) 在内的多个欧洲机构，正在支持这项任务。 DLR 提供的热流和物理特性包 (HP3) 在测量火星热导率方面取得了重要发现。

NASA火星登陆器
图三：科学家提出的“洞察火星着陆器”的概念：以HP3和热流探测器为特色。

HP3

HP3是Insight着陆器的一个独特而先进的扩展，它将允许科学家通过测量热量如何流经地球并驱动其地质过程来首次读取地球的温度。由DLR建造和运营的HP3，将在地下部署一个称为“鼹鼠”的探测器。该探头配备了一个自锤式长钉，可以将自己埋在地表以下 16 英尺（5 米）处。这比之前部署在这颗红色星球上的任何仪器都要深。鼹鼠探测器会在它身后拖着一根系绳，该系绳嵌入了许多用于测量行星内部热量的温度传感器。除了挖洞之外，鼹鼠探测器还会发出热脉冲，这将使科学家能够确定鼹鼠探测器使周围岩石升温的速度，并计算出这种材料的导热系数。如果材料是热的良导体，脉冲将迅速衰减，而如果材料是不良导体，脉冲将缓慢衰减。根据定义，材料的热导率是一种测量热通过给定材料的程度的方法。较高的导热系数值表明了有效的热传递能力，这是太阳系中散布在行星表面的许多岩石的一个众所周知的特性。

随着鼹鼠探测器继续深入土壤，它每隔 50 厘米就会停下来读取周围环境的温度读数。由于锤击产生摩擦和热量的实际过程，鼹鼠探测器必须先经过一段休眠期（大约3天）才能冷却，然后才能获得周围土壤的准确温度和导热系数读数。探测器将在24小时内加热约18华氏度。这种情况发生的速度将使科学家能够确定土壤的热导率。鼹鼠探测器本身的重量不到一双鞋，耗电也比标准的Wi-Fi路由器要更少。这台设备的精确性和精密性是世界上最顶尖的物理学家和热工程师团队多年研究的成果。参与该项目的许多人表示，他们经过了大量的试错，才设计出一种能够在不粉碎自身的情况下，将自身挖入16英尺深的鼹鼠探测器。同时，他们发送到火星的版本一次又一次地证明了它的稳健性。

Insight将是第一个窥视火星内部并测量热量如何传导到表面的任务设备。这种能量很大一部分是大约 40 亿年前地球形成时遗留下来的，并保留了它的创造记录。科学家们强调，地球上的大部分地质是热量和能量通过其内部运动的结果。火星过去的火山爆发是由这种热流推动岩石物质上升，并形成了现在以高耸山脉而闻名的火星。

火星上的热量运动

火星上的热运动遵循与地球上相同的热力学原理和规则。我们可以把这个行星热流的过程想象成类似于你煮一壶水时发生的事情。随着水的加热，它的密度会降低，并会向上上升，迫使较冷、密度较高的水流向锅底。这种热量通过介质的运动称为对流。同样的过程在行星上的地表和内部搅动岩石发生了数百万年。偶尔，行星内部会积聚大量热量，导致火山的形成。这种热量和气体的积聚，被认为是散布在地球表面的大型河床形成的原因。火山喷出的气体中还含有水蒸气，水蒸气被冷却成液体，可能在许多火山构造的底部周围形成了多个通道。行星越小，它失去热量的速度就越快。由于火星只有地球大小的 1/3，因此推测其大部分火山活动，发生在其形成的最初十亿年内。

结论

Insight 着陆器和 HP3 扩展的部署将让科学家们更深入地了解火星内部发生的确切机制，并增强他们发现更多关于地球内部运作的能力。有了这些信息，他们将能够更清楚地描绘火星的历史，以及它无法像邻近的表亲地球那样维持生命的独特之处。

作者：Kallista Wilson

文献参考：

NASA’s InSight Has a Thermometer for Mars. NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). Retrieved December 19, 2021, from https://www.jpl.nasa.gov/news/nasas-insight-has-a-thermometer-for-mars

https://jpl.nasa.gov. (n.d.-b). NASA’s InSight Prepares to Take Mars’ Temperature. NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). Retrieved December 19, 2021, from https://www.jpl.nasa.gov/news/nasas-insight-prepares-to-take-mars-temperature

mars.nasa.gov. (n.d.-a). Heat Probe | Instruments. NASA’s InSight Mars Lander. Retrieved December 19, 2021, from https://mars.nasa.gov/insight/spacecraft/instruments/hp3/

mars.nasa.gov. (n.d.-b). NASA’s InSight Reveals the Deep Interior of Mars. NASA’s InSight Mars Lander. Retrieved December 17, 2021, from https://mars.nasa.gov/news/8996/nasas-insight-reveals-the-deep-interior-of-mars/?site=insight

Thermal Conductivity. (n.d.). Retrieved May 9, 2021, from http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/thrcn.html

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