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來(lái)自火星的中紅外TDLAS技術(shù)
2012年8月6日，好奇號(hào)（Curiosity Rover）在火星的伊奧利亞沼（Aeolis Palus）成功著陸。作為人類第四輛成功著陸的火星漫游車，好奇號(hào)不僅延續(xù)了人類對(duì)這顆紅色星球的探索熱情，而且再次引發(fā)了人類對(duì)火星是否有生命痕跡的疑問(wèn)和關(guān)注。為了探測(cè)蓋爾撞擊坑內(nèi)（Gale）的環(huán)境是否曾經(jīng)能夠支持生命，好奇號(hào)配備了當(dāng)時(shí)Most professional和先進(jìn)的科學(xué)儀器，其中包括火星樣本分析儀（SAM）。
圖1. 好奇號(hào)在火星夏普山山腳下的自拍，圖片來(lái)源于維基百科
SAM旨在通過(guò)探索與生命相關(guān)的分子和元素化學(xué)，研究火星現(xiàn)在和過(guò)去的宜居性。目前地球上已知的所有生物都屬于碳基生物，因此SAM主要通過(guò)尋找有機(jī)化合物、除碳以外的輕元素的化學(xué)態(tài)和同位素示蹤劑來(lái)研究火星的碳化學(xué)。SAM由三套儀器組成，即四極桿質(zhì)譜儀（QMS）、氣相色譜儀（GC）和可調(diào)諧激光光譜儀（注：NASA稱之為TLS，工業(yè)界習(xí)慣稱TDLAS）。四極桿質(zhì)譜儀和氣相色譜儀可以在氣-質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）的模式下一起工作，對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行分離(GC)和終鑒定(QMS)。TDLAS可以獲得二氧化碳中C和O的精確同位素比，并測(cè)量甲烷及其碳同位素的微量含量。
圖2. 火星樣本分析儀，圖片來(lái)源于NASA
圖3顯示的是可調(diào)諧激光光譜儀(TDLAS)的光學(xué)原理圖和實(shí)物照片。從圖中可以看出，TDLAS由3部分構(gòu)成：含有光源和其他光電器件的前端光學(xué)室，樣品吸收池以及探測(cè)器室。這三個(gè)腔室通過(guò)窗片分隔。TDLAS采用雙光學(xué)通道，通道1使用3.27 μm的中紅外激光器進(jìn)行甲烷測(cè)量，通道2使用2.78 μm DFB激光器進(jìn)行水和二氧化碳測(cè)量。樣品吸收池采用赫利奧特池(Herriott Cell)，物理長(zhǎng)度為20厘米。激光在吸收池兩端的鏡片之間來(lái)回多次反射后進(jìn)入探測(cè)器室。2.78μm激光在池內(nèi)來(lái)回反射43次，光程達(dá)到8.93米；3.27μm激光在池內(nèi)來(lái)回反射81次，光程達(dá)到16.8米。赫利奧特池的使用極大地增加了氣體吸收的光程，使得甲烷測(cè)量達(dá)到百億分之一的靈敏度（約0.1ppbv），也使得儀器更加小型輕便，TDLAS總重量只有3.7千克。
圖3. 可調(diào)諧激光光譜儀(TDLAS)，圖片來(lái)源于NASA
2018年6月7日，美國(guó)宇航局(NASA)利用TDLAS測(cè)量的甲烷濃度數(shù)據(jù)，確認(rèn)了火星大氣中的甲烷背景水平存在季節(jié)性的周期變化。科學(xué)家推測(cè)這些甲烷可能來(lái)源于地質(zhì)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，甚至火星地下的微生物或其他形式的生命，但是到目前為止沒(méi)有證據(jù)證實(shí)這些猜測(cè)。2019年6月下旬，TDLAS檢測(cè)到了好奇號(hào)登陸火星以來(lái)的highest甲烷濃度，達(dá)到了驚人的21ppb，是甲烷背景濃度的40倍左右！這讓火星大氣中甲烷的來(lái)源問(wèn)題更加撲朔迷離。
圖4. 火星大氣中的甲烷的周期變化，圖片來(lái)源于維基百科
好奇號(hào)火星車上拍攝的火星上的一天。
圖5、火星上的日出、正午、日落及夜空
圖6、新一代火星車“毅力號(hào)”將于今年7月中旬（大約40天之后！）發(fā)射升空
作為“好奇號(hào)”發(fā)現(xiàn)火星甲烷本底異常的續(xù)集，新一代火星車“毅力號(hào)”將于今年7月中旬（大約40天之后！）發(fā)射升空。肩負(fù)著人類成為多行星物種(Multi-Planetary Species)夢(mèng)想的偵查兵，“毅力號(hào)”旨在更好地了解火星地質(zhì)并尋找古代生命的跡象。該任務(wù)將收集和存儲(chǔ)一組巖石和土壤樣本，這些樣本可能會(huì)在將來(lái)的火星任務(wù)中被帶回地球。“毅力號(hào)”還將測(cè)試新技術(shù)，以使未來(lái)的火星機(jī)器人和人類火星探索受益。
“毅力號(hào)”的主要目標(biāo)
•探索一個(gè)與以往任務(wù)存在地質(zhì)差異的著陸點(diǎn)
•評(píng)估遠(yuǎn)古火星的宜居性
•尋找古代生命的跡象，尤其是在我們已知的能在時(shí)間長(zhǎng)河中保存生命跡象的特殊巖石中
•收集巖石和土壤樣本，這些樣本可以通過(guò)未來(lái)的火星任務(wù)返回地球
•展示和驗(yàn)證用于未來(lái)機(jī)器人和人類火星探索的新技術(shù)——如火星無(wú)人機(jī)等
任務(wù)時(shí)間表
•于2020年7月至2020年8月在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射
•由美國(guó)宇航局的ULA Atlas 541火箭提供發(fā)射服務(wù)
•2021年2月18日在火星上降落，降落點(diǎn)位于一個(gè)曾經(jīng)充滿杰澤羅火山口(Jezero Crater)的古代三角洲湖泊地區(qū)
•花至少一個(gè)火星年（兩個(gè)地球年）探索著陸點(diǎn)周圍區(qū)域
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