美国国家航空航天局科学家首次在实验室再现火星“蜘蛛”现象

自 2003 年通过轨道飞行器拍摄的图像发现这些地貌以来，科学家们一直对遍布火星南半球的蜘蛛状地貌感到惊叹。没有人完全确定这些地质特征是如何形成的。每个分支地貌从一端到另一端可以延伸超过半英里（1 公里），包括数百条细长的“腿”。这些地貌被称为蜘蛛状地形，通常成群出现，使地表呈现出褶皱的外观。

主流理论认为，蜘蛛是由二氧化碳冰形成的，而二氧化碳冰在地球上不会自然形成。得益于《行星科学杂志》上发表的一篇新论文中详述的实验，科学家们首次在模拟火星温度和气压的条件下重现了这些形成过程。

“蜘蛛本身就是一种奇特而美丽的地质特征，”美国宇航局南加州喷气推进实验室的劳伦·麦克基翁 (Lauren Mc Keown) 说道。“这些实验将有助于我们调整蜘蛛形成模型。”

这项研究证实了基弗模型所描述的几种形成过程：当阳光透过每年冬天在火星表面堆积起来的透明二氧化碳冰层时，土壤会被加热。由于土壤比其上方的冰层颜色深，土壤会吸收热量，导致最靠近它的冰层直接变成二氧化碳气体，而无需先变成液体，这一过程称为升华（与干冰产生滚滚“烟雾”云的过程相同）。随着气体压力的增加，火星冰层会破裂，气体会逸出。当气体向上渗透时，会带走一股来自土壤的黑色尘土和沙子，这些尘土和沙子会落在冰层表面。

根据该理论，当冬季转为春季并且剩余的冰升华时，那些小型喷发留下的蜘蛛状疤痕就形成了。

在实验室里重现火星

对于 Mc Keown 和她的合著者来说，进行这些实验最困难的部分是重现火星极地表面的条件：极低的气压和低至零下 301 华氏度（零下 185 摄氏度）的温度。为了做到这一点，Mc Keown 使用了 JPL 的液氮冷却测试室，即用于冰冻环境的肮脏真空模拟测试台（DUSTIE）。

“我喜欢 DUSTIE。它具有历史意义，”Mc Keown 说道，并指出这个酒桶大小的容器曾用于测试为NASA 的火星凤凰号着陆器设计的锉磨工具原型。该工具用于破碎水冰，航天器会在火星北极附近将其捞出并进行分析。

在这次实验中，研究人员将火星土壤模拟物放入浸没在液氮浴中的容器中冷却。他们将其放入 DUSTIE 室，将气压降低到与火星南半球气压相似。二氧化碳气体随后流入室内，在三到五个小时内从气体凝结成冰。经过多次尝试，Mc Keown 才找到让冰变得足够厚和透明的合适条件，使实验得以进行。

一旦他们得到了具有正确特性的冰，他们就会在模拟物下方的腔室内放置一个加热器来加热冰并使其破裂。当 Mc Keown 终于看到一股二氧化碳气体从粉状模拟物中喷出时，她欣喜若狂。

“那是周五晚上很晚的时候，实验室经理听到我的尖叫声后冲了进来，”麦克基翁说，他已经致力于制造这样的羽毛五年了。“她以为发生了意外。”

黑色羽流喷出时在模拟物上打开了几个洞，喷射模拟物长达 10 分钟之久，之后所有加压气体才被排出。

实验中出现了一个基弗模型没有反映出来的意外结果：冰在模拟物的颗粒之间形成，然后将其裂开。这种替代过程或许可以解释为什么蜘蛛的外表看起来更“破裂”。这种情况是否发生似乎取决于土壤颗粒的大小以及地下水冰的嵌入程度。

“这个细节表明，大自然比教科书上的图像要复杂一些，”论文共同作者、喷气推进实验室的塞丽娜·迪尼加 (Serina Diniega) 说。

羽流测试的下一步是什么

既然已经找到了羽流形成的条件，下一步就是尝试用来自上方的模拟阳光进行同样的实验，而不是使用下方的加热器。这可以帮助科学家缩小羽流和土壤喷出可能发生的条件范围。

关于蜘蛛，仍有许多问题无法在实验室中得到解答。为什么它们在火星的某些地方形成，而在其他地方没有形成？既然它们似乎是由仍在发生的季节变化造成的，那么为什么它们的数量和大小似乎并没有随着时间的推移而增长？它们可能是很久以前遗留下来的，当时火星的气候与现在不同——因此可以为了解这颗行星的过去提供一个独特的窗口。

目前，实验室实验将尽可能地靠近蜘蛛。好奇号和毅力号探测器都在远离南半球的地方探索这颗红色星球，这些地貌正是出现在南半球（并且从未有航天器降落过）。凤凰号任务降落在北半球，仅持续了几个月就因极地极寒和阳光不足而失败。