我国“祝融号”火星车在火星北部乌托邦平原实施的雷达探测结果9月26日出炉，首次揭秘乌托邦平原的浅表结构：在80米深度之内，存在两套向上变细的沉积层序，这可能意味着约35亿年至32亿年以来，火星表面多次被水活动改造。
但是雷达结果也显示，现如今这片区域，80米深度以内没有液态水存在的证据，但不排除存在盐冰的可能性。
“祝融号”是我国天问一号火星探测任务的火星巡视器，于年7月发射，年5月在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆。“祝融号”实现了人类首次在火星乌托邦平原实施的巡视器雷达探测。到目前为止，人类在地外天体上共开展了四次巡视雷达探测。其中，我国嫦娥三号和嫦娥四号分别实现了对月球正面和背面浅表结构的精细探测。美国毅力号和我国“祝融号”火星车于年先后开启了火星巡视雷达探测。不同的是，毅力号的探测区域为杰泽罗撞击坑边缘，其实际最大探测深度为15米。“祝融号”火星车探测区域为乌托邦平原南部，雷达频带较宽，其实际最大探测深度达80米。
上述研究由中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称“地质地球所”）行星与月球内部结构研究团队，联合国家空间科学中心、北京大学等单位完成，结果发表于国际学术期刊《自然》。
火星浅表存在水活动痕迹，地下80米无液态水存在证据
年5月15日，“祝融号”在乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆。乌托邦平原是火星最大的撞击盆地，曾经可能是一个巨大的古海洋，也预示着火星早期可能存在过宜居环境。
科研团队对“祝融号”前个火星日采集的长度约米的低频雷达数据展开深入分析，发现该区域地下约10-30米和30-80米深度存在两套向上变细的沉积层序。
其中，10-30米的浅部沉积序列可能是中晚亚马逊纪火表改造事件作用的结果，但人们对相关的火表改造事件的认知尚不足。据攻关团队负责人、地质地球所研究员陈凌介绍，第二层沉积序列粒径上细下粗，但只有20米厚，雷达反射能力较弱，结合着陆区存在与水活动相关的年轻地貌特征，可能由一次相对短暂的小型洪水活动形成。
同时，由于第二层沉积层序更接近火表，研究者推测，就像此前在月球以及美国“洞察号”火星着陆区观测到的类似现象一样，也可能因风化或撞击过程中的重力作用，形成向上变细的沉积层序。
30-80米的深部沉积层序则更加古老，可能属于火星晚西方纪（约35亿～32亿年前）的北方低地沉积，反映了陆区更古老、更大规模的火表改造事件，或与乌托邦平原南部的大型洪水活动有关。
地下两套沉积层序的形成显露了该区域曾有水活动痕迹，那么该区域目前是否存在地下水呢？
研究者分析认为，现今该区域浅部80米以内没有液态水存在的证据。
如果存在液态水，雷达波能量会强烈衰减，但此次雷达波能量相对稳定；此外，含水物质通常具有的介电常数大于15，但本研究反演约束的介质介电常数小于9。
热模拟结果也进一步表明，液态水、硫酸盐或碳酸盐卤水难以在“祝融号”火星车着陆区地下米之内稳定存在。
不过，基于目前的数据，并不能排除80米以内的浅部水以盐冰形式存在的可能性，这类物质的介电常数与沉积物质相当；也未排除火表更深处有水/冰的可能，因为着陆区附近有距今0万年的年轻“壁垒撞击坑”，即陨石撞击火表时，深部流体溅出在外围形成荷叶状边缘的撞击坑。
祝融着陆区地质地貌图。（a）祝融号、凤凰号、洞察号、好奇号、毅力号和海盗号着陆点位置及古海岸线位置；（b）祝融号着陆点附近的简化地质图；（c）祝融号着陆点附近的地形地貌图；（d）祝融号行驶路径图
“肩并肩”提取有效信号，“背靠背”开展数据处理
年8月中旬，中科院院士、时任地质地球所所长吴福元和中科院院士、首次火星探测任务首席科学家潘永信第一时间整合全所优势力量，展开建制化集中攻关。
在我国，火星开展雷达探测无先例可循，数据分析需要特别谨慎。
航天载荷由于受到功耗、体积和重量等的约束，且无法像在地面那样进行反复观测，导致其原始数据的信噪比通常很低。陈凌回忆，原始低频雷达数据总共有道，但肉眼可见的信号都是噪声。如何从中提取地下结构的有效反射信息成为摆在研究团队面前的第一道难关。团队群策群力、反复研判，提出了识别和提取有效信号的合理方案。
除噪声干扰外，“祝融号”雷达天线与火表之间有几十厘米的距离，发射信号和反射信号在火星大气介质里传播后会造成强干扰，掩盖一些地下信息。同时，雷达能量往下穿透会越来越弱，如何在噪声干扰中把来自深部的弱信息提取出来也是个难题。研究团队根据嫦娥三号和四号任务中积累的经验，针对火星环境的特殊性，建立了可靠的数据处理和成像流程，成功将地下深部微弱信号分离出来。
实际数据分析从10月中旬开始，经过一个半月的连续作战，研究团队终于解锁了雷达“密码”，获得了高质量信号剖面。与此同时，另一部分团队成员持续动态地对雷达数据可能反映的地质活动积极开展解译，尽可能做到“言之有物，言之有据”。
为确保结果的可靠性，研究团队分成了多个独立小组，“背靠背”开展处理工作，确保处理流程的合理性与可靠性，为后续的地质解译奠定了坚实的数据基础。
年11月30日凌晨，陈凌点击网页上的确定发送键，将研究团队历经一个多月分析、制图、写作的稿件投了出去。一周后，12月6日，他们收到《自然》主编“准备送审”的回信，这让团队里的每个人都十分欣喜。今年9月26日，研究结果在《自然》上发表。
论文共同第一作者、地质地球所副研究员王新说，作为团队中的一名青年研究人员，“能够参与我国首个火星探测计划天问一号的研究，是一件幸福的事”。
陈凌表示，本次研究揭示了当前火星浅表精细结构和物理性质特征，提供了火星可能长期存在水活动的观测证据，为深入认识火星地质演化与环境、气候变迁提供了重要依据。
“小身板”“祝融号”发挥大作用，高低频雷达双管齐下
火星乌托邦平原浅表结构的揭秘离不开我国科研人员的刻苦攻关，也得益于我国地外雷达探测技术和设备的快速发展。
乌托邦平原被北方荒原组沉积（VBF）广泛覆盖，该地层可能由与洪水相关的外流河道冲积形成，也可能由古海洋蒸发后残留的沉积物质形成。但目前对VBF的结构、物性、起源、演化等都缺乏观测约束。此外，乌托邦平原拥有众多典型地貌，如巨型多边形、凹锥、壁垒撞击坑等，均表明火星过去存在过大量的水/冰。但此前人们并不清楚该区域地下是否仍然存在水/冰，这限制了人们对火星水体演化的认识。
年，美国海盗2号探测器在乌托邦平原北部登陆并首次实施了着陆探测，但未能探明地下结构。火星高空轨道雷达虽然可以探测火星全球范围内的浅表结构，但其分辨率较低，特别是对于浅表百米以内几乎没有分辨能力。
我国“天问一号”携带的“祝融号”火星车次表层探测雷达则能够有效对巡视区地下浅层结构成像，深化人们对乌托邦平原演化、地下水/冰分布等关键科学问题的认识。
乌托邦平原南部火表改造模型图。左到右分别是晚西方纪至早亚马逊纪、亚马逊纪、近代
研究共同作者、地质地球所研究员张金海表示，“祝融号”携带了两个频段的探测雷达。与雷达主频为-MHz、实际最大探测深度为15米的美国毅力号相比，“祝融号”高频雷达的频率更高（-2MHz），低频雷达的频率更低（15-95MHz），这使得高频雷达对约0-5米深度的浅表目标能够看得更“细致”，能够以厘米级分辨率探测地下5米左右的更精细结构；低频雷达对地下目标看得更“深入”，实际最大探测深度达80米，能够以米级分辨率探测地下数十米到百米左右的结构。
与强大的功能形成反差的是，“祝融号”高低频段雷达的“身板”很迷你，总重量仅有6.1公斤。
目前，“祝融号”已陆续回传了11批科学数据。由于遇到强烈沙尘天气，“祝融号”正处于休眠模式，待休眠结束后仍将继续开展探测工作，“天问一号”轨道器也将提供探测深度更深的雷达数据。
陈凌表示，“我相信，对这些数据的深入研究，能让我们对火星有更多的发现和认识。”
徐勉王诗堃
曾译萱
王诗堃；徐勉
科技能见度