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火星間歇泉

火星間歇泉(Martian geysers)或二氧化碳噴流，是推測火星南極地區在春季解凍期間發生小規模氣體和塵埃噴發的地點。「黑色沙丘斑點」和「蜘蛛」或蜘蛛狀[1] –為這類噴發所形成的兩種最明顯地表特徵。

正在噴發含沙噴流的火星間歇泉藝術想像圖(美國宇航局出版；藝術家兼作者羅恩·米勒繪製)。
黑色砂丘斑點

火星間歇泉與地球上的間歇泉不同，後者通常與熱液活動有關，而前者則完全不同於任何地球地質現象。其反射率(反照率)、形狀和特殊的蜘蛛般外觀引發了有關它們起源的各種猜想，包括從結霜反射率差異到涉及生物作用的種種解釋。然而，當前所有的地質物理模型都假設火星上存在某種噴流或類似噴泉的活動[2][3][4][5][6][7][8][9][10]，但對於它們的特點以及形成過程目前仍存有爭議。

這些特徵是火星南極地區-南緯60°至80°，西經150°至310°，被非正式稱為「神秘區域」所特有[11][12][13]。這片位於極地厚冰層陡坡和永久凍土之間的1米深二氧化碳(CO2)冰板過渡區明顯為間歇泉群所在地。

二氧化碳冰的季節性結霜和解凍導致了許多特徵的出現，比如在冰面下有蜘蛛狀裂縫或通道的黑色沙丘斑點[3]-地面和二氧化碳冰之間蝕刻出的蜘蛛形放射狀通道，使其看起來像蛛網，然後，積聚在通道內的壓力噴出氣體和黑色玄武質沙粒或塵埃，這些沙粒或塵埃沉積在冰面上，形成黑色的沙丘斑點[2][3][4][5][6][7][8]。這一過程很快，在數天、數周或數月的時間裏就可觀察到，這種增長速度在地質學上相當罕見——尤其是在火星上[14]。然而，蝕刻出更大的蜘蛛狀通道似乎需要多年的時間[2]，目前除了拍攝到的可見光和紅外光譜圖像外，尚沒有有關這些特徵的直接數據。

歷史

 
由火星全球探勘者號拍攝並在2000年被「格雷格·奧瑪」(Greg Orm)發現的黑色沙丘斑點特寫。

這些被非正式稱為黑色沙丘斑點和蜘蛛的地質特徵分別是在1998年至1999年間火星全球探勘者號上MOC相機所拍攝圖像中發現的[15][16]。起初，因為其外觀，人們普遍認為它們是不相關的特徵，所以從1998年到2000年，它們分別在不同的研究刊物上被報道([16][17][18] -分別)。「噴流」或「間歇泉」模型是從2000年起開始提出並完善的[4][5]。

「蜘蛛」一詞由馬林太空科學系統公司研發人員取名，其中一張最早也是最有趣的蜘蛛照片是在2000年10月被格雷格·奧瑪所發現[19]。黑色沙丘斑點和蜘蛛是一種與二氧化碳(CO2)凝結(乾冰)和升華循環作用有關的現象[20]。

最初也有人認為，這些黑色斑塊只是受熱裸露出的地表，但2006年的熱成像顯示，這些結構的溫度與覆蓋該地區的冰一樣冷[9][20]，表明它們是冰層上一層被凍結的薄黑色物質[9]。 然而，就在首次發現它們後不久，又發現它們為負地形特徵-即放射狀的凹槽或通道，今天被認為是像間歇泉般的噴口系統[2][3][4][5][6][7][8]。

形態

 
黑色沙丘斑點，高解像度成像科學設備相機拍攝的高解像度彩色圖像。
 
與黑色沙丘斑點有關的「蜘蛛」特徵。
 
黑色沉積斑點顯然是由「蜘蛛」所形成。

間歇泉最突出的兩個特徵(黑色沙丘斑點和蜘蛛通道)出現在火星初春時節，位於覆蓋着二氧化碳(CO2或」乾冰「)的沙丘地上，主要分佈在沙丘山脊和斜坡上，初冬時消失。黑斑的形狀常見為圓形，在斜坡上則常被拉長，有時伴有流體-可能是水-匯聚在沙丘底部的凹坑中[21][22]。黑色沙丘斑點一般寬15到46米(50到150英尺)，相隔數百英尺[9]。斑點大小不一，有的直徑僅20米[16][23]，但可見到的更小尺寸受到成像解像度的限制-而這些小黑斑可生長並合併成幾公里寬。

蜘蛛特徵，當單獨觀察時，形似圓形的葉狀結構，讓人聯想到從中心點向外輻射的蛛網[24]。其輻射狀圖案代表了升華的氣體在流向噴口時，在冰中形成的淺通道或管道[3][4]。整個蛛形通道網一般為160–300米，但相互間存在很大差異[2]。

每座間歇泉特徵的形式似乎取決於當地流體或氣體的成分及壓力、冰層厚度、下伏礫石類型、當地氣候和氣象條件等綜合因素[14]。間歇泉的邊界似乎與地表所有其他屬性(如海拔、地質結構、坡度、化學成分或熱量性質)都無關[6]；間歇泉狀系統所產生的低反照率斑點、扇形結構和不規則斑塊及小型狀蜘蛛狀放射通道網通常都與其位置有關[2][14][20]。起初，這些斑點看起來呈灰色，後來逐漸被認為主要是玄武岩質砂粒[17]的黑色噴射物所覆蓋，中心於是變黑[18]。並非早春觀測到的所有黑斑都與蜘蛛地形有關，但神秘地形上的黑斑和條紋大多數都與稍後出現的蜘蛛有關[2]。

美國宇航局拍攝的延時圖像確認，隨冰層中蜘蛛通道放射狀地生長，黑色物質被明顯噴出[9]。對單個感興趣區域的延時成像還顯示，小黑斑通常表明蜘蛛特徵的位置尚不可見；它也顯示了明顯擴大的斑點，包括一些黑色扇狀斑，這些斑點增長突出，並形成清晰的方向性，指示了風向的作用.[2]。

一些分支溝壑已改變，一些已損毀，而在近地表動態活動過程中形成的新地殼，大範圍地改變了地形。因此，火星的二氧化碳近地表層似乎有一個動態循環過程，這一成長過程很快，發生在數天、數周或數月範圍內，其速度在地質學上相當罕見——尤其是在火星上[14]。為解釋火星南極冰蓋上這些間歇泉不同顏色和形狀的發展，已研究了許多地球物理模型。

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    HiWish程序控制下的高解像度成像科學設備所看到的噴流寬景圖，許多噴流放大後都會出現蜘蛛。
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    噴流，高解像度成像科學設備拍攝，箭頭所示處為雙噴流，這可能為風向變化所致。
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    長噴流，高解像度成像科學設備拍攝。  
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    蜘蛛，高解像度成像科學設備拍攝。
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    噴流和蜘蛛，高解像度成像科學設備拍攝。
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    噴流和蜘蛛，高解像度成像科學設備拍攝。
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    噴流和蜘蛛，高解像度成像科學設備拍攝。
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    噴流和蜘蛛寬景圖，高解像度成像科學設備拍攝。
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    噴流和蜘蛛，高解像度成像科學設備拍攝。
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    火星蜘蛛狀地形

間歇泉機制模型

據估計，噴發強度範圍可從簡單高潮到攜帶着黑色玄武質沙粒和塵埃在高空飄揚[9]，高達160公里/小時或更高速的高壓爆發[4][25]。下面將討論當前提出的一些模型，這些模型主要研究產生間歇泉系統的驅動力。

大氣壓

火星表面的大氣壓每年變化範圍約為6.7–8.8毫巴和7.5–9.7毫巴；每天變化約為6.4–6.8毫巴。由於氣壓的變化，地下氣體周期性膨脹和收縮，在大氣壓升高時引起向下的氣體流動，在大氣壓降低時則釋出[7]。這一循環首先通過測量地表氣壓進行量化，地表氣壓每年以25%的幅度變化[2]。

籠形水合物模型

該模型提出了大氣壓升高時氣體向下流動，大氣壓降低時氣體向上流動的觀點。在解凍過程中，冰(籠狀物)可能部分遷移到土壤中，部分蒸發[7][14]，這些位置可能與黑色沙丘斑點的形成有關，蜘蛛的」肢腿「作為氣體流動的路徑[7]。

乾式排氣

 
一座大型「蜘蛛」特徵，顯然是形成黑色沙丘斑點的噴發沉積物，圖像大小：方圓1公里(0.62英里)。.
 
根據西爾萬·皮克斯的說法，太陽光從底部引起升華，導致膨脹的CO2氣體積聚，最終夾帶着塵埃噴出，並導致具有明顯方向性-表明風向作用的黑色扇形沉積物[26]。

一些研究小組認為火星間歇泉是發生在冰層和下伏基岩之間的二氧化碳(CO2)氣體和沙粒乾式排放。眾所周知，CO2冰板對太陽輻射幾乎是透明的，其中72%的太陽能在偏離垂直方向60度處入射，能抵達1米厚的冰層底部[4][27]。此外，來自台灣和法國的獨立團隊測量了幾個目標區域的冰層厚度，發現間歇泉區域的CO2霜層 最大厚度約為0.76–0.78米，支持太陽光驅動的乾式排氣地球物理模型[8][28][29]。當南部春季CO2冰接收到足夠的太陽能時，就會從底部開始CO2冰的升華[2]，這股蒸汽積聚在冰板下面，壓力迅速升高並產生噴發[6][9][14][30][31]。高壓氣體以160公里/小時(99英里/小時)或更高速度流過[4][25]，在冰板下面，氣體衝向噴口時會侵蝕地面，捲起鬆散的沙粒，蝕刻出蛛網狀的溝槽[8]。黑色物質回落到表面，可能被風吹到斜坡上，在冰蓋上形成黑色風紋圖案[20][25]，該模型與過去的觀測結果相一致[25][32]。這些扇形斑的位置、大小和方向，有助於量化季節風和升華活動[26]。

很明顯，季節性冰蓋底部的升華更能產生出巨大的超壓[2]，它比上面討論的冰上壓力高4個數量級，比大氣壓力高5個數量級[2]。

太陽升起前會形成一些黑斑，太陽升起後會立即形成大量黑斑，這一觀察結果支持了太陽系是由太陽能所驅動的觀點[33]。最終冰會完全消失，黑色顆粒物質又回到了表面[33]，該循環將會重複多次[20][34][35]。

2016年在實驗室成功模擬了火星大氣條件下，從二氧化碳冰板內觸發出塵埃噴發的實驗，為CO2噴流和扇斑生成模式提供了有力的支持[26]。

水驅動噴發 

2004年，火星快車號衛星獲得的數據就可能已確認，南極極蓋有一層平均厚約3公里(1.9英里)的二氧化碳冰板[36]，其中根據緯度的不同，所含水冰量也不同：明亮的極地冰蓋本身是由85%的CO2冰和15%的水冰混合而成[37]。第二大冰源則是陡峭斜坡，稱為「陡坎」，幾乎全部由極地冰蓋滑落到周圍平原上的水冰構成[37]，而陡坡和永久凍土之間的過渡區則就是間歇泉群所在的「神秘區域」處。

該模型探討了水流活動產生侵蝕結構的可能性，其中受CO2氣體驅動的淺亞表層土壤和水，穿過侵蝕裂縫，連接形成了覆蓋着泥狀物質和/或冰的蜘蛛狀輻射支流[14][38][39][40]。

地熱

一支歐洲研究小組提出，這些特徵可能是一種跡象，表明噴流是由非太陽能因素引起的，例如地熱[14][41]。 該模型很難與熱輻射(紅外)成像形式收集的證據相一致，這些證據顯示扇狀物、斑點和不規則斑塊形成於冷流體或冷氣體的排放[31][42]。

二氧化碳和水循環

 
黑色沙丘斑點

米高·C·馬林是一位行星科學家，他所設計的火星全球探勘者相機，曾最早拍攝到了CO2間歇泉現象照片。馬林一直致力於研究特定區域所獲得的圖像，並跟蹤這些圖像在幾年內的變化。2000年，他模擬了二氧化碳(CO2)和水升華凝華的複雜過程，以顯示扇狀物和斑點的動態變化。典型的溶化過程模式是開始於沙丘邊緣的小黑斑，然後這些黑斑逐個擴大，最終全部合併到一起[34]。這種擴展模式清晰而獨特：先是一點黑核緩慢擴大，通常外側伴有一圈明亮的邊緣或「光暈」。由於這一過程為漸進式的向心現象，因此，每個亮區位置都會被逐慚擴大的暗區超越。雖然斑點最初是沿沙丘邊緣發展，但很快會迅速蔓延到沙丘上和沙丘之間。隨着春天的到來，扇形尾(「蜘蛛」)從中心點開始發育。當低反照率的極地沙粒在薄薄的霜層下升溫時，就會發生解凍，導致霜凍蒸發，形成在沙丘上所看到的斑塊黑核。而當蒸汽橫向移動時，遇冷沉澱則會形成明亮的光暈。當裸露的砂層膨脹時，沉霜又會再次蒸發，此種循環將會重複多次[20][34][35]。

歐洲空間局

 
黑色沙丘斑點

雖然歐洲航天局 (ESA) 尚未提出一種理論或模型，但他們指出，霜凍升華過程與圖像中觀察到的一些重要特徵並不相符，而且這些斑點的位置和形狀與物理解釋也不一致，特別是因為它們無視引力規律，向下輻射和向上輻射的通道似乎一樣多[43]。

生物源假說

一組匈牙利科學家提出，黑色沙丘斑點和通道可能是火星光合微生物的聚居地，這些微生物在冰蓋下越冬，當陽光在早春返回極地時，光線穿過冰層，微生物會立刻開始光合作用並加熱周圍環境。在火星稀薄的大氣層中，通常一小袋液態水會瞬間蒸發，而現在可被覆蓋在它們周圍的冰保留住。當冰層變薄時，微生物通過變灰而顯現出來。當冰層完全融化時，它們又會迅速乾枯變黑，其周圍伴隨着一圈灰色的光暈[22][44][45][46]。匈牙利科學家認為，即使是一個複雜的升華過程也不足以解釋黑色沙丘斑點在時空上的形成和演化[23][47]。自從它們被發現以來，小說作家亞瑟·查理斯·克拉克就建議從天體生物學的角度來研究這些構造[19]。

一支歐洲跨國研究小組提出，如果蜘蛛在每年除霜期中，通道中都存在液態水，則這些結構就可能提供了一個生態位，那裏的某些微觀生命形式可能會在躲避紫外線太陽輻射的同時保持進退和適應[3]。英國和德國的研究小組還考慮了有機物、微生物甚至簡單植物與這些無機結構共存的可能性，尤其是如該機制還包含液態水和地熱源的前提下[14][48]。但他們也指出，大多數地質構造在不援引任何有機「火星生命」假設的情況下也能得到解釋[14] (另請參閱: 火星生命)。

登陸器任務

除了拍攝到的可見光和紅外光譜圖像外，尚缺少有關這些特徵的直接數據，目前正在考慮開發火星間歇泉跳躍者着陸器來研究間歇泉狀系統[49][50]，但當前還沒正式提議，也沒落實資金。

另請參閱

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