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【中国科学报】火星沙丘藏液态水“拼图”2023-05-11
来源：科学网 发布日期：2023-5-9 作者：冯丽妃
现代火星上有液态水吗？科学家通过祝融号火星车拍摄的照片发现，答案是肯定的。
中国科学院地质与地球物理研究所研究员（以下简称地质地球所）秦小光与合作者分析认为，火星沙丘上的结壳、龟裂等各种“水痕”就是确凿的证据，而且这些痕迹来自于降霜或降雪，而非地下水。相关研究近日发表于《科学进展》。
“我们的发现填补了在火星低纬度地区液态水地面观测证据的空白，说明现代火星气候可以出现更潮湿的环境。”论文通讯作者秦小光对《中国科学报》说。
沙丘“水痕”
秦小光仍记得，刚拿到第一批祝融号火星车数据时的兴奋感。祝融号着陆区地貌最显著的是沙丘，他与中国科学院国家天文台研究员任鑫查看火星车车载相机传回的照片时惊奇地看到沙丘表面的奇特现象——龟裂和带状痕迹。
这些都是正常沙丘表面不应该出现的形态特征。长期的地貌研究经验让秦小光推断：这极可能是水留下的痕迹。
“它们看上去就像地球上一个池塘干涸时留下的岸线痕迹。”秦小光向《中国科学报》回忆。
祝融号拍摄的火星沙丘上的水痕。图片来自：地质地球所
祝融号拍摄的火星上的水裂纹。 图片来自：地质地球所
寻找与“水”相关的线索一直是科学家研究行星历史和生命宜居性的一个关注焦点。科学家已经发现，早期火星曾存在大量液态水，但伴随火星早期大气逸散，气候环境发生极大转变，极低的气压和水汽含量导致今天火星上的水很难以液态形式稳定存在，而主要以固态或气态的形式存在。
尽管如此，科学家已经发现现代火星液态水的“蛛丝马迹”。例如，在火星高纬度着陆的美国凤凰号探测器的机械臂上就曾观测到“液滴”，科学家认为这说明当前火星高纬度地区夏季可以短暂出现含盐液态水。数值模拟也显示适合液态水存在的气候条件可以短暂出现在当今火星某些地方。
那么，气温最高的火星低纬度地区是否存在液态水呢？着陆点距火星“赤道”更近的祝融号为回答这个问题提供了契机。
2021年5月，天问一号火星任务搭载的祝融号漫游车成功着陆在乌托邦平原南部边缘（北纬25.066度，动经109.925度）。祝融号工作了350多个火星日，行程约2千米，获得了大量宝贵的科学探测数据。
为分析火星探测任务传回的数据，时任地质地球所所长吴福元院士和首次火星探测任务首席科学家潘永信院士第一时间整合全所各个专业方向的人马，成立火星探测攻关团队，分组对此次任务传回的数据进行挖掘。
研究地貌和环境变化的秦小光被分派负责组织人员开展火星地貌环境方面的研究，他与该所研究员王旭、吴海斌和博士张师豪，联合中科院国家天文台研究员刘建军、任鑫以及中科院大气物理所博士孙咏等20多人开始分析祝融号传回的火星地貌信息。
他们利用祝融号上搭载的导航地形相机、多光谱相机以及天问一号遥感图像，对四个火星沙丘进行了详细观测，首次发现祝融号着陆区的沙丘表面存在结壳、龟裂、团粒化、多边形脊、带状痕迹等表面特征。
进一步研究中，他们发现，根据沙丘形态特征和表面颜色深浅，着陆区沙丘有“亮沙”，也有“暗沙”。亮沙表层基本都有结壳、龟裂等与水相关的特征；而暗沙则多存在团粒化结构，团粒比风沙颗粒大得多，用激光将其打碎后，他们发现这些团粒是由沙粒凝结在一起构成的。
祝融号拍摄的火星上的亮沙与暗沙。 图片来自：地质地球所
这是如何形成的呢？在火星表面，候选胶结物质有很多，如干冰、水冰、粘土、盐类和其他无机胶结物。根据二氧化碳和水的性质以及祝融号着陆点的大气条件，研究者排除了干冰和水冰作为沙粒胶结物的可能性。而短波红外被动光谱数据显示，沙粒胶结物最可能是含水硫酸盐、蛋白石（含水二氧化硅）、含水氧化铁等成分。
以盐为代表的这些含水矿物作为凝结剂胶结沙粒形成沙粒团，需要水的参与。那么，水从哪里来呢？
推测再推测
据介绍，在火星上，水主要有三个潜在来源：地下水；降霜与降雪；降雨。
根据观测到的现象，研究团队对这些来源一一排查。
“假如是地下水通过毛细水蒸发到达火表，水蒸发后，水里的盐就会在地表留下来，形成盐碱。”秦小光说，但研究团队并未在沙丘附近的低地看到这种现象，相反结壳却出现在位置较高的沙丘表面，显然地下水的毛细水蒸发不太可能形成沙丘表面的结壳，他们由此排除了地下水的可能性。
而水究竟是通过降霜抑或降雨、降雪的形式到达火表，取决于火星大气的温度和水气压。根据火星气象条件观测，现代火星的大气压和水汽分压极低，基本上不可能下雨。而气温降至零下74摄氏度的霜点后，火星大气中的水汽就会形成降霜或降雪，而降霜和降雪都已在火星上观察到。他们就此推测，着陆区沙丘的表面特征与降温时在含盐沙丘表面的降霜或降雪有关。
根据祝融号携带温度计的不完全观测结合其他国外火星车的观测，着陆点附近最高温度为零下8摄氏度，更低时则可到近零下100摄氏度。“如果火星上有液态水，根据地球上的情况，零度就该结冰了。但这个地方仪器却没打出冰的成分，这到底是怎么回事儿？”秦小光和团队反复推敲。
根据多年在罗布泊的考察，秦小光认为，当地的盐池也是冬天不结冰，因为高浓度卤水的“共晶温度”（相较于纯水冰点）更低，而具体的冰点则跟含盐类型和含盐量有关。而沙丘表面富含含水硫酸盐等盐类，气温升高时可在较低温度下导致霜雪直接从固态变为液态。
基于此，研究者还给出了沙丘表面特征的演化模型：降温到霜点后形成降霜或降雪，升温时与含盐物质混合的霜雪在较低温度下融化为含盐液态水，随着温度继续升高（每天或季节变化）盐水干燥失水后硫酸盐、蛋白石和铁氧化物等含水矿物胶结沙粒形成风沙团粒、乃至结壳，结壳进一步干燥形成龟裂。后期的再次降霜降雪在结壳上又进一步形成多边形脊和带状水痕等液态水活动痕迹。
“这是基于祝融号火星车多源观测数据的一个逻辑十分严谨的假设，为进一步解释和验证该假设提供了指导。”该刊国际审稿人、美国布朗大学的James W. Head认为，这种转换发生的温度条件在季节和日时间尺度上都可以满足。
研究者认为，这与火星大倾角活动也是一致的。根据沙丘上陨石坑的统计，他们确定沙丘形成于距今大约40万~140万年前以后。这个时间以来出现过多次火星地轴大倾角时期，火星的轨道倾角（轨道平面与火星赤道面的夹角）与现代类似甚至更大，这时水汽会从极地冰盖向赤道方向的扩散传输，致使火星低纬度地区出现的多次湿润环境，有助于降霜降雪，导致含盐沙丘表面结壳和团粒化，造成沙丘固化并留下液态水活动痕迹的形成模式。
该刊另一位国际审稿人认为，这项研究描述了至多数百万年前火星湿润条件的证据。这些观测结果非常有趣，它们记录的火星低纬地区的特征可能代表了最近更湿润条件的证据。
“该研究说明大倾角时期，与现代类似或更潮湿的气候和气象条件曾在火星上出现，允许现代火星低纬度地区多次出现含盐液态水。而小倾角的时候，水汽又从低纬度地区向高纬度地区扩散，然后又回到冰盖那边去了。”秦小光说，这个过程跟火星大气的环流乃至水循环都有关系，对理解火星气候演化历史、寻找宜居环境有重要意义。
祝融号着陆点所位于的火星低纬地区。地质地球所供图
更多未知待推敲
这个研究结果来得并不容易。这是我国首次探测火星，没有前路可循，为了判别照片中每个地貌痕迹，研究团队需要仔细查看每一张图片，用地球上学到的“十八般武艺”反复推敲火星上的每一个线索形成判断，然后反复确认每一个结论是否站得住脚。
例如，火星上的沙丘为什么有明暗之分？他们发现暗沙丘是覆盖在亮沙丘上形成的。这说明原来的亮沙丘无法活动了。那么，亮沙丘为什么会“死亡”？他们分析这正是亮沙丘表层的液态盐水干燥结壳后导致沙粒无法移动。当风沙再来的时候，亮沙丘被覆盖，形成的暗沙丘，新的暗沙层在又一次含盐液态水作用下形成团粒化结构。
秦小光介绍，火星亮沙丘的迎风坡和背风坡坡度很小，一般只有几度到十几度，远低于三十几度的常规风沙休止角。而它们的形状都是地球上常见的“新月形”，而非火星上常见的线状横向风成脊。这些都说明它们曾被改造过。
我国深空探测方兴未艾，从一个现象推导出一个结论，解开更多深空谜题，还有更多科学家走在探索之路上。
祝融号拍摄的火星照片。图片来自：地质地球所
相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8868 -
【中国科学报】潘永信院士：行星探测“探”什么？2023-02-09
潘永信
日前，以“行星宜居性及演化”为主题的双清论坛在京召开，50多位相关领域专家就行星宜居性、生命起源环境和地外生命等重大科学问题进行探讨，明确了深空探测的科学目标和方向。
在“天问一号”即将飞抵火星，行星探测蓬勃兴起之际，我国行星科学研究处于什么水平？我们在该领域有何布局？行星科学要如何发展等问题备受关注。为此，本报采访了中科院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员、中国科学院大学地球与行星科学学院岗位教授潘永信。
审视过去 预判未来
《中国科学报》：行星科学和行星宜居性基础研究涉及哪些内容？
潘永信：行星科学是研究太阳系内与系外行星、卫星、彗星等天体和行星系的基本特征，以及它们的形成和演化规律的一门学科。行星科学快速发展于上世纪下半叶深空探测之中。追根溯源，地球科学和天文学是行星科学的两个根学科。行星科学目前研究主要聚焦于太阳系内不同天体研究，研究内容包括行星的地表特征、岩浆活动、大气、海洋、物理场及内部过程等。其中探测地外生命一直是深空探测的重要目标。行星宜居性是指行星适宜生命发育的潜力。人们仰望星空的同时，总想知道我们从哪里来，到哪里去，人类是否孤独。地球为什么适宜生命发育和繁衍生息？科学家把其他行星与地球相互比较，既从地球出发研究地外行星宜居性，也从其他行星，如金星和火星探测中，发现地球宜居性演化密码。从长远看，未来人类可能走出地球摇篮，需要找到一个适合居住的地方，或找到太空“驿站”，迈向更远的深空。
《中国科学报》：在当前形势下，行星宜居性及演化研究有什么重要意义？
潘永信：行星宜居性及演化是深空探测科学研究中重要一环，其中很多基础研究和前沿问题亟须搞清楚。只有夯实这方面的基础研究，才能为深空探测、寻找地外生命、未来开发太空资源等提供科学依据。
目前科学家主要基于地球及地球生命来判断地外生命存在与否，为什么地球宜居，为什么地球上会出现生命？有些问题仅从地球上难以找到答案，需要从其他行星宜居性演化研究来理解。控制地球宜居性因素，除了恒星的状态、行星与恒星距离外，还有哪些因素，决定因素又是什么，行星外部和内部过程扮演了什么角色？很多基础问题需要深入研究。比如，火星和地球形成时间相当，地球因为有板块运动，30亿年前的古老东西遗留很少，火星上没有板块运动，火星巡视探测在那里找到许多古老的有机质和沉积岩记录，表明可能早期存在生命；金星的情况又不同，表面温度高达400多度，处于失控温室效应的状态。现在看来，太阳系是整体进行演化的，行星又具有显著的多样性，从火星、金星甚至更远的星球来审视地球的过去，甚至可以来预判地球的未来，这是全新的视角和研究范式，相信将不断地取得重要科学发现和突破。
或能更新我们的认知
《中国科学报》：我国目前行星宜居性研究处于怎样的水平？
潘永信：我国行星探测工程刚起步，行星科学研究整体水平与欧美相比有明显差距。今年7月23日我国发射的“天问一号”探测火星，将实现“环绕、着陆和巡视”三步走的探测目标。目前，火星探测的重要目标是宜居性演化和寻找生命。在学科发展方面，欧美很多院校地质系很早就改名为地球与行星科学系，美国航天局对大学和研究机构资助了很多项目，在基础研究和人才培养方面有长期的积累。国内行星科学研究队伍正在快速壮大，中国科学院大学在国内率先启动建设行星学科作为一级学科，牵头成立了高校行星科学联盟，正在积极推进教育部行星学科建设，许多高校和研究机构已经拥有一批有才华的中青年行星科学家，有条件的高校和研究机构积极建设行星科学学科，以培养出更多的人才。
《中国科学报》：行星科学研究的难点是什么，行星科学学科和其他学科相比有什么特点？
潘永信：它的特点可以说是学科交叉跨度大，这也是研究的难点。以地球科学和天文学为主，还涉及生命科学、数学、物理学、化学、材料科学、信息科学等学科。另外，行星科学高度依赖深空探测工程，工程费用大，技术要求高，获得科学发现和突破需要科学家与工程技术人员共同努力来实现。它的魅力在于，探索璀璨星空，常常会有新的发现，还可能会是重大发现。行星科学事业适合有梦想、有创造力的青年人，可以放飞他们的梦想。在行星探测中可能会发现地球上根本没有的一些物理化学现象和新规律，这可能会更新我们的宇宙观认知，同时也会促进相关学科的发展。
火星“发电机”之谜
《中国科学报》：作为深空探测的第一步，火星探测要重点研究哪些基础科学问题？
潘永信：行星科学研究涉及其形成、起源和演化，包括空间环境、地表和内部过程。“天问一号”的科学目标包括地表地形、地质、水冰、浅层结构、矿物组成、大气、磁场等。火星探测的重要科学问题有：火星现今地下是否存在微生物活动，早期是否宜居、北半球古海洋，大气和水逃逸过程与机制，内禀磁场出现和消失时间，内部结构及动力学机制，水和挥发分含量、分布，可利用资源，以及如何从火星研究地球起源和演化等。
以磁场为例，地磁场在保护地球生命（屏蔽掉太阳风携带的大量高能带电粒子），地磁场对许多生物导航等方面意义重大，甚至直接或间接影响生命过程。科学家正在形成一个共识，行星磁场既是判断行星内部活动的一个物理场，也是行星宜居性发展的条件之一。对于火星而言，根据火星陨石研究和原位探测，火星早期曾存在磁场，但后来消失了。火星“发电机”停止的时间和机制不明，可能是内部热状态演化导致的结果。火星早期是有液态水的，指示火星早期有可能是宜居的，火星大气和水逃逸也与磁场消失有关，这些都需要进一步研究。
深空探测路线图
《中国科学报》：我国在行星科学研究方面有哪些规划或路线图？
潘永信：对于深空探测领域发展，我国发布的《2016中国的航天》白皮书中已有明确的规划和路线图。在月球以远的深空探测中，“天问一号”火星探测是我们走出的第一步。接下来会探测小行星，准备火星的采样返回，还计划探测到木星和木星的卫星（太阳系的巨行星带），将来还要继续探测太阳系的边界。我国行星科学研究正处于一个重要的发展机遇期。
《中国科学报》：您对行星科学研究有什么建议？
潘永信：当前，太空探索已经成为科技前沿、市场需求和国家战略结合的产物，推动行星科学研究发展既是机遇也是使命。一是要认识到行星科学研究需要地球科学、天文学、生命科学、信息科学等多个领域的科学家走到一起，从多个视角来研讨行星科学的重大问题，这是行星科学学科研究内涵和特点所决定的。二是要在人才培养上下功夫，行星科学领域国家需要专门人才，抓紧建设高水平行星科学专业人才队伍，从学生培养做起，吸引有梦想的青年学子学习行星科学，补齐缺乏专业人才这个短板。三是要瞄准科学前沿和国家深空探测发展规划，凝练好重大科学问题，布局相关的研究项目和课题，倡导和推进科学与工程技术的融合，助力国家进入世界深空探测的第一方阵。建议完善跨部门联动联合机制，做好顶层设计和规划。同时，我们要发扬科学家精神，发挥行星科学联盟作用，聚焦科学前沿和重大需求，扎扎实实地做好研究工作，建设高水平研究队伍，为我国科技发展和深空探测战略作出贡献。 -
阿塔卡马沙漠：地球上的“火星”2023-02-09火星在古人眼中是一颗非常神秘的星球，我国古代称其为“荧惑”，认为天象“荧惑守心”预示着不祥的发生。西方国家将火星的红色视为鲜血的象征，故以希腊神话中的战神玛尔斯（Mars）为其命名。
现在，这颗地球的“兄弟”行星成为人们心驰神往的地方，火星是否可能存在（过）生命是全人类都关注的重大问题。随着现代科学技术的发展，从20世纪60年代开始，人类陆续实施了51次火星探测任务，直至2021年的中国“天问一号”和美国“毅力号”。这些探测任务无疑是开展火星宜居环境演化和生命探测研究最直接的手段。
此外，地球上存在许多可以类比火星过去或现在的环境、地质、矿物等条件的区域，称为类火星地区。南美洲智利北部的“干极”阿塔卡马沙漠因为具有极度干旱、高辐射、高盐度等环境特征，被认为是地球上非常典型的一处类火星环境[1]。2004年的英国科幻纪录片《星际漫游》中的火星场景就是在此处拍摄。
图1 火星与南美洲的阿塔卡马沙漠（图中与火星重合部分）[2]
阿塔卡马沙漠纵贯南美洲西部，其干旱区位于南纬20度到30度约1000公里的广阔空间之中。尽管阿塔卡马沙漠与太平洋相邻，但由于被西部高海拔海岸山脉和东部安第斯山脉所隔挡，形成了一种“三明治”结构，导致东、西部来源的湿气无法进入中心地区。同时，智利西海岸由于太平洋反气旋和秘鲁寒流产生的逆温现象[3]而导致降雨稀少。上述过程持续了几千万年甚至上亿年，使得该地区的干旱度逐渐积累形成了现在的沙漠区域[4,5]。阿塔卡马沙漠不仅可以类比现代火星的表面环境，而且其从湿润到干旱的地质演化过程也可以类比火星约30亿年前从湿润的西方纪过渡到干燥的亚马逊纪的过程。
图2 阿塔卡马沙漠中的月亮谷[6]
阿塔卡马沙漠年降雨量低于20毫米，海拔跨度从几百米上升到约5000米，尽管其不如绝大多数沙漠那么炎热，但昼夜温度变化可从22°C降至-2°C。由于云雾难以跨越绵延的山脉，湿气聚集在海拔较高的山体部位，使该区域出现海拔越高湿度越高的独特现象，这种南美洲特有的湿润雾气被称为“浓湿雾”。
图3 高海拔地区的浓湿雾[7]
阿塔卡马沙漠位于海岸山脉和安第斯山脉的中间凹陷地区，几乎没有云层的遮掩，因此接收到的紫外线剂量很高，其中可以造成人皮肤晒伤的紫外B波段是比非洲北部沙漠的要高1.4倍[8]。强紫外辐射诱导大气中的臭氧和氮气或氯化物反应，产生强氧化性的硝酸盐或高氯酸盐，这些盐类随着大气沉降在阿塔卡马沙漠的地表并逐渐积累，加之沙漠中降雨稀缺，所以大量的硝酸盐和高氯酸盐可以富集在阿塔卡马沙漠的地表[9]。
图4 阿塔卡马沙漠中的平坦地区[10]
阿塔卡马沙漠北部的核心干旱区是一望无际的淡黄色沙土，是绝大多数生命的梦魇。沙漠南部稍湿润的地区在春季偶尔发生的少量降雨之后可以出现沙漠开花的现象，堪称绝景，该地区常见的植物包括盐草、百里香和紧密小鹰芹等。有科学家推测，早期火星从湿润环境过渡到极度干旱的现代环境过程中，这种现象可能也曾出现。
图5 阿塔卡马沙漠南部开花现象的绝景[11]
广袤的阿塔卡马沙漠空气干燥、清澈少云、远离城市，几乎没有光污染和无线电干扰，是绝佳的天文观测地区。美国、加拿大、德国、英国、法国、日本等都在此处的高海拔地区建造了天文台和望远镜，如著名的阿塔卡马大型毫米-亚毫米波射电天文望远镜阵列（ALMA）[12]。夜晚的阿塔卡马繁星满天，成千上万的星星清晰可见，甚是浪漫。
图6 智利ALMA望远镜观测银河系[13]
阿塔卡马沙漠是许多火星探测任务的载荷和设备测试地区，美国NASA的“海盗号”和“凤凰号”等试验也在阿塔卡马沙漠进行了地面重复研究，该区域还是NASA“地球-火星洞穴探测计划”的一个重要选址。
阿塔卡马沙漠作为地球上一个非常典型的类火星环境提升了人类对火星的认知。
参考文献
1.Navarro-Gonzalez, R.; Rainey, F.A.; Molina, P.; Bagaley, D.R.; Hollen, B.J.; de la Rosa, J.; Small, A.M.; Quinn, R.C.; Grunthaner, F.J.; Caceres, L.; et al. Mars-like soils in the Atacama Desert, Chile, and the dry limit of microbial life. Science 2003, 302, 1018-1021, doi:10.1126/science.1089143.
2.Adam, B. Warning! Mars is close to Earth! Available online: https://voonze.com/warning-mars-is-close-to-earth/. 2020 (accessed on 4/12/2022).
3.McKay, C.P.; Friedmann, E.I.; Gomez-Silva, B.; Caceres-Villanueva, L.; Andersen, D.T.; Landheim, R. Temperature and moisture conditions for life in the extreme arid region of the Atacama Desert: Four years of observations including the El Nino of 1997-1998. Astrobiology 2003, 3, 393-406, doi:10.1089/153110703769016460.
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5.Sun, T.; Bao, H.M.; Reich, M.; Hemming, S.R. More than ten million years of hyper-aridity recorded in the Atacama Gravels. Geochim Cosmochim Ac 2018, 227, 123-132, doi:10.1016/j.gca.2018.02.021.
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9.Jackson, W.A.; Bohlke, J.K.; Andraski, B.J.; Fahlquist, L.; Bexfield, L.; Eckardt, F.D.; Gates, J.B.; Davila, A.F.; McKay, C.P.; Rao, B.; et al. Global patterns and environmental controls of perchlorate and nitrate co-occurrence in arid and semi-arid environments. Geochim Cosmochim Ac 2015, 164, 502-522, doi:10.1016/j.gca.2015.05.016.
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火星——一颗被水统治的星球2023-02-09最近，祝融号火星车结束了“日凌”期的待命状态，继续在火星表面探索的勤恳工作。各路关于天问一号和祝融号的科普已经很多了，小编自己也写了好几篇了。不过，还是会有很多朋友问我：你们这群搞地球科学的人鼓捣火星做什么？
最后这个话题就会指向一个有趣的问题：火星上能种土豆吗？
电影《火星救援》中，主角正在大嚼土豆
换句话说，火星上有没有生命赖以繁衍的水？针对这个问题，国内外大批地学工作者，基于不同的视角开展研究。而根据近20年来国内外的研究成果来看，火星——截然不同于我们对其的印象——是一颗被水统治的星球。
火星水纪元——诺亚纪
诺亚纪得名于火星上的诺亚平原，诺亚平原的名字则来自于诺亚方舟与洪水的故事。
在41亿年以前，彼时的太阳系一片混乱。八大行星刚刚形成，还没有完全清空自己的轨道。幼年期的行星每天都要遭遇小行星的撞击，这些撞击在岩石行星的地表上留下了岁月的刻痕，但也同时壮大了这些行星，赋予他们额外的生机。
彼时的地球还没有孕育出生命，狂暴的火山和翻卷的海洋伴随着天空中燃烧的陨星一同呼啸。在数百万公里之外的火星，几乎相同的一幕也正在上演。
这就是火星的诺亚纪，开始于约41亿年前，结束于约37亿年前。其起始时间并不十分明确，这是因为早于此时间的火星地表记录几乎全部被后来的地质事件覆盖了。在这个纪元之中，火星被陨石密集轰炸，火山密布，气候温和，甚至可能有着水循环的条件。
艺术家对于约40亿年前的火星形态的想象图
诺亚纪的具体时限主要根据太阳系中普遍存在的晚期大轰炸事件。诺亚纪火星上的陨石坑密集且规模更大，同时还存在着高频次的侵蚀事件，形成了大量的河谷。风化剥蚀，特别是有水参与的风化剥蚀在该时期尤其明显。诺亚纪火星的沉积记录有很多硅酸盐，这显示，这段时期的火星海洋（假如真的有广泛的海洋的话）可能和地球孕育生命的海洋一样，是呈碱性的。
MGS（Mars Global Surveyor）探测器最重要的科学发现之一（也许没有之一），Eberswalde撞击坑附近形成的冲积三角洲。照片拍摄于2003年
你几乎可以不加修改地，将地球形成早期那些场景套用在这个时候的火星上——湿润且浓厚的大气层中电闪雷鸣，陨石划过天空，拖着浓郁的尘烟；大地在颤抖，火山在轰鸣，川流不息的大河汇入波涛汹涌的大海，在火星的表面塑造出血管一般的沟壑，昭示着这颗星球勃发的生机。
诺亚纪火星代表性的地貌景观就是大而多的撞击坑和河谷网络。
诺亚纪的页硅酸盐和后来西方纪的硫酸盐沉积丘。照片由NASA的MRO任务的高分相机拍摄。
但今天，胜景不再，就算是诺亚纪的遗址，也已经不多了。
冰与火——西方纪
西方纪，亦翻译为赫斯珀利亚纪（Hesperian），Hesperian是一个希腊-拉丁诗的术语，意为“西方的土地”。西方纪得名于赫斯珀利亚高原（Hesperia Planum），起始于约37亿年，结束于约30亿年。
一张显示了西方纪地貌（左）和诺亚纪地貌（右）转换的图片。诺亚纪的撞击坑在西方纪继续遭到风化，并且显然西方纪的撞击坑小得多，也少得多
西方纪与诺亚纪的最重要分野，就是陨石撞击事件频率和规模的骤减，西方纪的撞击坑显著地又小又少，这是因为席卷整个太阳系类地行星的“晚期大撞击事件”渐入尾声。但与此同时，火星的气候似乎也发生了变化。
在诺亚纪的晚期和西方纪的早期，火星沉积物渐渐从碱性变为酸性。从原来以页硅酸盐为主转变为以硫酸盐为主。这种转变很可能来自于硫等挥发分的快速分异去气过程，反映了火星表面活跃的火山活动。但不要忘了，诺亚纪的火山活动也很剧烈，为什么诺亚纪的沉积物偏碱性呢？
MGS探测器拍摄的赫斯珀利亚高原（画面中心）。显然，与周围的诺亚纪地貌比起来，赫斯珀利亚高原的陨石坑很小且很稀疏。
一种可能的解释为：在这同一时期，火星的大气层也突然变得稀薄了起来，从而加速了挥发分的逸出。火星大气层为什么会突然变稀薄？根据我们现在掌握的证据，火星的内生磁场发电机消失可能是一个最主要的因素。地球的大气层受到地球偶极磁场的保护，因此而不会被太阳风剥离。地球偶极磁场起源的最主流假说即是地球外核磁场发电机学说。因此类比地球，火星大气层的快速消失很可能是其发电机早早消失所致。目前对火星的在轨磁场测量显示，火星的内生偶极磁场已经消失。而火星地表的剩磁信息，就等待祝融号火星车的探测了。
地球大气层受到磁场的保护，抵御太阳风的剥蚀。
当然，也有可能是因为火星的小身板，无法承受晚期大轰炸的众多陨石撞击，导致大气层因为陨石撞击而逸散。这就要等待更深入的研究了，最好是能派几位地质学家实地勘察。
虽然陨石撞击不再频繁剧烈，大气层也可能已经开始跑路，但火星还没有就此沉寂。逐渐封冻的海洋（也有可能自诺亚纪以来一直都是封冻的），蕴藏着一泻千里的能量。此外，太阳系最大的火山——火星奥林匹斯山，可能也形成于该时期。
再次想象这样一个场景——千里冰封的群山之中，冷不丁突然一座火山爆发。顿时，银瓶乍破水浆迸！方圆百里的冰雪同时融化，汇成这太阳系最壮观的洪水，向着悬崖峭壁直泻而下！
消失的艾彻斯裂谷（Echus Chasma）瀑布
这其中有一道裂谷，艾彻斯裂谷（Echus Chasma），落差更是可以达到4千米，可能在短短数周时间之内，就有3500亿立方米的水从这里倾泻而下！这相当于长江小半年的入海水量！
一部分地质学家认为，西方纪火星整体依然存在大量的水，但这些水并不常以液态存在，只有在遭遇火山或陨石等局部事件时，才会融化为液态流水，在塑造地表的同时携带着沉积物奔流不止。
西方纪火星代表性的地貌为间歇性的海洋和峡谷为主，硫酸盐沉积物在其中广泛分布。
不过，诺亚纪和西方纪的丰饶的水资源，最终几乎销声匿迹，我们今天观测到的火星，是一副干旱，死寂的模样——这又是怎么了？
如今我们观测到的火星，是一片干旱寒冷死寂的世界。左：正常状态下的火星。右：沙尘暴中的火星
人间蒸发——亚马逊纪
亚马逊纪是火星的第三个纪，是火星地质年代里最长的一个纪。亚马逊纪得名于火星的亚马逊平原（Amazonis Planitia），但火星的这个亚马逊平原截然不同于地球的亚马逊平原，没有枝叶茂盛的热带丛林，水也在渐渐干涸。亚马逊纪，火星的板块运动、火山活动以及陨石活动都趋于平静，其中火山活动强度大约只有西方纪的十分之一，主要表现为Tharsis和Elysium两座火山的活动。此外，相较于亚纪和西方纪早期，火星的风化剥蚀速率降低很多。
亚马逊平原。很平，撞击坑很少，也没有多少河谷
正是由于亚马逊纪火星板块运动、火山活动等“热活动”的微弱，冰活动(包括冰川和冻土)，尤其是中高纬度的冰活动就十分突出了。火星冰活动相关的地貌往往显示了不算太遥远的历史，更古老一些的地貌很容易周期性地消失。由于亚马逊纪是火星最长的纪，冰活动在整个火星的地貌塑造上很可能起到了重要的作用。
MRO探测器拍摄的火星表面的冰川活动迹象
亚马逊纪，火星地貌大部分都与水的存在、积累和搬运有关，表现为极地冰盖，雪线的进退，冻土融化形成的图案、冰川剥蚀等形式。虽然火星上的冰与水正在慢慢消失，但戏份却变多了。
当然，到了更接近现在的年代，火星上已经很难找到水了，地表沉积的矿物也开始以铁质的成份主导，颜色以铁红色为主。
MRO探测器拍摄的吕科斯沟脊地的地貌形似地球上冻土融化后的形态
回到未来——找个地方种土豆
记得早在两年前，小编曾经一本正经地讨论过如何在火星种土豆以及安全地生存下去。两年过去了，小编对这个问题有了更深的理解。越来越多的证据证明，火星的问题不是有没有水，而是曾经那主宰火星表面的水都到哪里去了的问题。
对一颗星球而言，其水资源的出现、丰度和时空分布规律，是研究其行星宜居性的最重要问题之一。在人类全面迈入宇航时代之前，这是必须掌握的知识。
曾经的火星湿润丰饶，现在的火星干旱死寂，这中间到底经历了怎样的演化过程？火星表面的地层记录了完整的行星诞生-发展-消亡过程，等待我们去解读。
截至目前，登陆火星的所有探测器
参考资料
Carr M H, Head III J W. Geologic history of Mars[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 294(3-4): 185-203.
Bibring J P, Langevin Y, Mustard J F, et al. Global mineralogical and aqueous Mars history derived from OMEGA/Mars Express data[J]. science, 2006, 312(5772): 400-404.
维基百科相关词条
中国国家航天局http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6812123/content.html -
如何防御小行星2023-02-07
图注：DART任务的艺术想象图
前不久的2021年11月24日，美国NASA借由SpaceX的猎鹰9号发射了一枚行星防御测试任务——Double Asteroid Redirection Test (双小行星重定向测试，DART，飞镖)。这枚探测器将会通过撞击一颗小行星，对目标小行星产生大约4毫米每秒的速度改变，影响小行星的轨道。虽然这一改变微小不起眼，但在漫长的轨道周期上，小行星的轨迹将受到深远的改变。之所以叫双小行星，是因为目标小行星是一大一小，相互绕转的两颗小行星。
DART作为一次实验任务，体型很小，事实上也只是为了验证技术的可行性，不能作为地球紧急防御的实际手段。试想这样一种情况——假如真的毫无预警地，一颗小行星即将在大约半个月后撞击地球，我们要如何防御它？
图注：DART飞行器在美国喷气动力实验室里。两侧的两个“卷轴”是卷起来的太阳能板，需要为探测器上的“电老虎”——电力推进器供电。可以看出整体是一颗很小的飞行器。
光说不练假把式，今天小编就给大家示范一次“小行星重定向”任务，相信大家看完，都能学会如何拯救地球！
（本次任务全程由小编本人原创，并由四名“坎巴拉星人”，或称“小绿人”宇航员配合完成。事件全部发生在未知星域的坎巴拉星系，不涉及人类世界现实。）
任务简报
本次，我们的母星遭到威胁！我们监测到，一颗直径至少12米的D级小行星，即将在约15个恒星日后，径直撞上这颗美丽的蓝色星球！
图注：这颗小行星编号Ast.PYW-123，一个恒星日后即将进入地球（实际上是小绿人的母星Kerbin）引力范围，然后在约15恒星日后撞击地球。如图可见其预期轨道与地球表面相交。
坎星人的宇航技术暂时领先于地球人，他们已经有过数次成功或失败的小行星拦截任务经验。这一次，他们又要站出来，保卫自己的家园！
图注：在其中一次试图将小行星软着陆带回地球的任务尝试中，小行星坠毁在航天中心附近，造成了灾难性的损失。动图为8倍速播放。
向目标进发！
航天中心为确保万无一失，从四名最优秀的坎星航天员中选出三位，执飞此次任务。任务采用成熟可靠的Ast-Hunter-10飞船（小行星猎手10号），这一飞船在小编的另一个存档中已经执行了超过10次小行星重定向任务，专门针对C级和D级小行星重定向任务研制。不过这次为了蹭DART的热点，我们特地将这艘飞船重命名为，‘Kerb-Dart’。
图注：作为后备队员的Valentina Kerman目送Jebdiah Kerman，Bob Kerman，Bill Kerman三位勇士升空，并祝福他们好运。
飞船整体为两级半结构，大推力的芯一级液态火箭发动机和助推级固体火箭发动机同时点火，将火箭送上高层大气。
图注：3，2，1，点火！动图为2倍速播放。
随后高效率（大比推）、小推力的二级核动力液体燃料火箭发动机点火，将飞船送入轨道。
图注：芯一级与二级（上面级）。注意由于Kerbin这颗行星的第一宇宙速度远小于真实的地球（只有约1/3），火箭入轨难度非常低，因此火箭干质比可以很高。
二级发动机同时提供飞船上面级的推力。为提高火箭效率，降低死重，有三个用完即抛的燃料罐挂在飞船末尾。
图注：飞船成功入轨，展开太阳能板、天线、热控单元，以及最重要的RGB灯光（据传可以提升小绿人的工作效率）
进入低-地球轨道（LEO）后，飞船就需要筹划如何捕捉到目标小行星——实际上就是策划一次与小行星的交会对接，而交会对接的本质，就是使两个飞行器在某一时刻，其轨道高度、离心率、倾角、辐角、升降交点经度、速度等完全一致，或者说相空间坐标（三维位置，三维速度）完全一致。
图注：正在抬高轨道高点的Kerb-Dart飞船。抬高轨道高点最省燃料的方式是在轨道低点顺向切向加速，这是奥伯特效应的运用。左上角，远方的月球（游戏中称为Mun）遥遥可见。
首先，我们需要抬高飞船轨道高点，以使其与小行星轨道相交，然后在这一交点上匹配二者的轨道倾角，以消除二者的轨道平面法向速度差异。
图注：首先调节倾角。在此之前抬高轨道高点（远地点）的目的是节约调节倾角所需的燃料。这是一个机械能守恒和动量守恒相互影响的经典问题，运用高中物理，相信一想就明白了。
在这个过程中，耗尽燃料的燃料罐将会被抛出。
完美匹配的轨道倾角，使得飞船与目标天体的轨道平面重合，这将极大方便我们规划交会对接的过程。但我们依旧需要寻找最恰当的交会时机。通过调节飞船的轨道周期，使得目标天体在撞上地球之前，先与飞船交会。我们只有一次机会。
图注：经过精心规划，我们得以在小行星撞地球之前一个恒星日，先拦截到小行星。
规划好的交会轨道并不足够精确，在这一交会准备轨道上，Kerb-Dart还需要进行一次轨道修正，来使得二者交会的最近距离小于100米。这还没完！在交会点上，二者还会有约130米每秒的速度差，需要在飞船抵近小行星的时候，再在1分钟之内完全消除。
图注：飞船正在进近小行星，并刹车，消除二者间的相对速度。在这一瞬间，飞船和小行星的轨道几乎重合——都是直奔地球撞去的。4倍速播放。
当二者足够靠近，Kerb-Dart飞船就可以展开抓娃娃机爪子小行星捕获装置，以小行星的质心为目标，缓缓靠近并捕获了。
图注：我小心翼翼地接近，怕小行星在梦中惊醒。一旦翻滚起来，就危险了。
捕获之后，还要进一步调节小行星质心、飞船质心和飞船的推力矢量基本在一条直线上，不然飞船发动机工作时，将会产生非常大的翻滚力矩，导致失控。
化敌为友，接待深空来客
这颗小行星带着紫色的纹路，看起来很神秘，也许隐藏了宇宙深处的秘密。但现在可没有时间深入研究——还有一个恒星日，我们就要撞上地球了！当务之急是立刻着手改变小行星的轨道。
图注：编号Ast.PYW-123的小行星经初步测量，重达270.624公吨。飞船搭载的6架核动力推进器显得很无力，只能提供1米每二次方秒的加速度。但这也比地球人的DART强多了。一秒的量就胜过DART一辈子的量200多倍。
一番努力，主要通过轨道切向顺向加速，现在飞船和小行星的组合体的近地点成功被抬高到大气层之外。至少这次，小行星将不会撞上地球了。小行星和飞船如果沿着当前的轨道继续飞行，将会离开地球的引力范围，再次回到茫茫的深空当中去，不知何时才能再见。
图注：小绿人的地球Kerbin的大气层高度70千米，这次小行星将会擦着Kerbin的头皮掠过。
但我们前面也说了，这颗星球蕴含着来自深空的秘密，我们不可能一抛了之，必然要进行深入的研究。如果将这颗小行星停泊在地球轨道上，可能随时还会有危险发生——这个时候，月球正是个好地方——不怕被撞，距离地球又不算太远。小绿人们决定把这颗小行星带到月球轨道上安置。
图注：正在规划前往月球的轨道
正好，月球也十分配合，其轨道相位恰好可以在我们这条轨道即将离开地球引力范围之前与我们相遇。只需要花费很少的燃料，我们就可以筹划一次月球的飞掠，然后顺势被月球捕获。
图注：被月球捕获后，在月球轨道低点（近月点）执行动力刹车（发动机反推减速）。最终，我们进入了一条月球逆向倾斜椭圆轨道。后来调整为月球赤道逆向椭圆轨道。
也许未来，我们会通过对这颗小行星的研究，获益良多。
图注：比如在地球上建一个小行星陈列馆或者在月球建一个“小土豆”科研空间站什么的。
回家，回家！
至此，地球已经彻底摆脱了本次小行星的威胁，珍贵的天外来客也被保存在了月球轨道上。三位英雄是时候回家了。但Kerb-Dart飞船本身不具备地球大气层再入的能力，我们需要派Valentina去接他们回家！
由于低碳节能的号召，以及危机解除后部分合作伙伴违约不再提供资金支持、小编想要炫技等不便透露的原因，这次我们要采用充满科幻感的单级入轨（SSTO）空天飞机执行这次人员运输任务。
图注：起飞-1倍音速-2倍音速-3倍音速！火花带闪电。
这架空天飞机名为Dart，飞镖，是小编用10分钟随便搭起来的。大气层内的主力引擎是目前还只存在于地球各国航天部门实验室里的“变循环发动机”，真空中的主力引擎则是Kerb-Dart同款的核动力引擎。不仅可以单级入轨，甚至燃料足可以去月球转一圈再回来。这得益于变循环发动机和核动力发动机的双重省油套餐。
图注：大气层内变循环发动机类似于喷气式发动机，吸气并燃烧。在真空环境，变循环发动机缺氧，进入内循环，变为火箭发动机。飞机携带的氧化剂耗尽，火箭发动机熄火，核动力发动机接力将飞机送入地球轨道。
图注：规划一条阿波罗计划同款的8字形逆向月球转移轨道。
图注：飞向月球
图注：与Kerb-Dart对接，变为Kerb-Dart-Dart组合体。4倍速播放。
四名宇航员团聚在月球的天空上，激动感慨自不必说。他们快速完成了对小行星的测量和采样，以及最关键的——合影工作。
身边是飞船和渐渐揭开神秘面纱的天外来客，身后是散发银白光芒，但又坑坑洼洼有点丑的月球，四名宇航员看着远方渐渐升起的地球和太阳，他们意识到——该回家了。
他们坐上空天飞机，原路返回，一路火花带闪电。
图注：空天飞机于清晨再入大气层。高温等离子体形成一层炽红的帷帐，包裹机身。太阳从家的方向升起来。
哦，家，温暖的家，我们再一次保护了你。
图注：出野外结束，必须得合个影，以证明本次视频和文案创作过程中，没有小绿人受到伤害。
所以怎么样
你学会如何从小行星的威胁中拯救地球了吗？
一点花絮：
图注：由于再入落点距离跑道太近，降落时没能对准跑道，但又不想复飞，于是在草地上迫降了，实在是有点颠簸哈哈。 -
嫦娥五号月壤样品单颗粒分析工作流程图2023-02-06文章转载自“Geoscience Frontiers”
作为首批获得月壤样品的科研单位，中国科学院地质与地球物理研究所在第一时间组建了科研攻关团队，联合中科院国家天文台、高能物理研究所和物理所等多家单位，协同开展相关技术的研发工作，建立了一套行之有效的月壤返回样品单颗粒综合分析的工作流程（图1），该技术对于后续的嫦娥六号月壤返回及小行星采样返回等均具有重要的参考意义。
相关研究成果发表在中国地质大学（北京）和北京大学主办的期刊《Geoscience Frontiers》上（李金华, 李秋立, 赵亮, 张金海, 唐旭, 谷立新, 郭倩, 马红霞, 周琴, 刘延, 刘沛余, 邱浩, 黎刚, 谷林, 郭顺, 李春来, 李献华, 吴福元, 潘永信. Rapid screening of Zr-containing particles fromChang’e-5 lunar soil samples for isotope geochronology: Technical roadmap forfuture study. Geoscience Frontiers, 2022, 13(3): 101367. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2022.101367）。
图1 嫦娥五号月壤和未来行星返回样品单颗粒
综合分析工作流程图
嫦娥五号月壤以及未来行星返回样品的单颗粒综合分析的“六步走”工作流程（简要版）。
步骤-1：显微制样后，用μXRF快速挑选目标颗粒，按需制样。
步骤-2：3D-XRM/FIB-SEM联合分析，获得三维形貌、结构和成分信息。
步骤-3：SEM综合分析，获得表面形貌、结构和化学成分信息。
步骤-4：综合微区分析，获得形貌、结构、矿物相、化学成分等信息。
步骤-5：FIB-SEM三维重构分析及精准微切割，制备微纳米尺寸的“薄片”或“针尖”样品。
步骤-6：综合利用STXM、TEM和APT技术，对“薄片”或“针尖”样品开展形貌、结构、矿物相、化学成分、元素价态、元素同位素和微磁学等综合分析。
2020年12月17日，中国嫦娥五号从月球带回1731g月壤样品。这是中国首次从地外天体采集样品，也是时隔44年后人类再次将月壤带回地球。嫦娥五号圆满完成了我国探月工程“绕、落、回”三步走战略的最后一步，使中国科学家第一次拥有属于自己的地外天体返回样品，在行星科学发展史上具有里程碑意义的重大事件。
2021年7月12日，首批月壤样品正式发放到国内13个科研机构。截至目前，月壤样品已发放了3个批次，国内30多家科研单位共计获得44.8577g样品，相继开展了系列科学研究工作。月壤样品极其珍贵，多数为亚毫米和微米大小的颗粒。如何利用有限的珍贵样品获得尽可能多的基础数据，同时开展高效高质量的科学研究，对我国科研人员提出了巨大挑战，这也是获取重大原创成果的前提。在未来十年，中国已经布局了嫦娥六号月球南极采样、小行星采样和火星采样等一系列重大任务。毫无疑问，随着嫦娥五号月壤样品研究的持续深入以及更多类型的地外天体样品被陆续带回，中国的行星科学将迎来新的时代。制定合理的科学目标，建立高效的工作流程，优先开展无损耗或微小损耗的小样品研究，注重开展单颗粒样品的多尺度和多参数的综合研究，是开展珍贵地外天体样品研究的客观需求，也是未来行星科学发展的大趋势。
嫦娥五号月壤样品来自月球风暴洋东北部，属于人类从未“踏足”的中纬度地区。确定年龄，是利用嫦娥五号月壤样品开展“月球岩浆活动及演化、月球发电机和磁场演化、太空风化作用”等重大科学问题研究的基础，还能为修正撞击坑统计定年曲线提供关键锚点，因而是首要科学问题。从成千上万个月壤颗粒中精准地挑选出适合定年的目标样品，并且将适用于微区原位定年的矿物从目标矿物中精准地暴露出来，则是解决这一首要问题的关键所在。
富锆颗粒的快速筛选和含锆矿物的精准定位
针对上述问题，经过多个课题组的联合攻关，研究人员最终建立了两套可行性方案，用于嫦娥五号月壤样品中富锆（Zr）颗粒的快速筛选和目标颗粒中含锆矿物的精准定位。
方案一：多颗粒快速定位
利用单颗粒显微操作技术，将微米尺寸的月壤样品制备成单颗粒的阵列。然后利用显微X-射线荧光光谱技术（μXRF）对样品阵列进行“无损、无接触和无污染”的快速扫描分析，获得所有颗粒的化学元素及其分布图像，结合谱学半定量分析技术，挑选出富含锆元素的目标颗粒（图2，如P6和P17）。将挑选出的富锆颗粒进行树脂包埋后，单颗粒机械抛光与截面扫描电镜观察（SEM）相结合，最终将含锆矿物暴露在样品的平整截面上，并进行后续的二次离子质谱探针（SIMS）微区原位同位素分析，获得该样品的高精度年龄。利用这套方案，研究人员在拿到第一批月壤样品后的24h内，从中挑选出47个单颗粒目标样品，并精准定位了51个含锆矿物，获得嫦娥五号月壤玄武岩形成的年龄为2030±4 Ma（Li QL et al., 2021, Nature 600, 54-58）。
图2 显微X-射线荧光光谱技术快速筛选富锆颗粒
图3 目标颗粒“机械抛光-扫描电镜”组合分析确定含锆矿物
方案二：单颗粒精准定位
第一套方案虽行之有效，但机械抛光过程不能可视化，存在将目标矿物（如斜锆石等）提前磨掉或者损坏的风险。因此，在第二套方案中，研究人员将μXRF的化学元素成像与三维X-射线显微镜（3D-XRM）结构成像分析相结合，将富锆矿物从挑选出的富锆目标颗粒中精准定位（图4）。然后，利用虚拟数字化和3D-XRM与聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）三维切片技术，将富锆矿物中目标颗粒暴露到一个平整的截面上（图5），可用于后续的SIMS微区原位同位素分析。整个样品的FIB切割过程也可以通过SEM技术将其结构和化学成分分阶段地记录下来，从而部分地保留该样品的三维结构和成分信息。
图4 μXRF/3D-XRM联用精准定位目标样品中的含锆矿物
图5 3D-XRM/FIB-SEM联用显微切割和精准制备含锆矿物平整截面
嫦娥五号月壤以及未来行星返回样品的单颗粒综合分析
嫦娥五号月壤样品虽然微小，但每个小颗粒从一定程度上相当于一个独立的小岩块，其矿物组成、表面形貌、内部结构和化学成分均蕴含丰富的有关“月球演化和太空风化”等信息。正如挑选富锆颗粒用于同位素年代学研究一样，将月壤颗粒分门别类并挑选出来，同样可以有目的的开展其他科学研究。与电子束和离子束等微束分析方法相比，μXRF依托X-射线分析技术，穿透性强，化学灵敏度高，且不需要对样品及其表面进行复杂的预处理，因而能在微米尺度下，快速获得月壤颗粒的化学元素组成及各种元素的分布特征，用于挑选各种类型的目标颗粒。无论是机械抛光与SEM结合，还是XRM与FIB-SEM联合，均能将目标矿物暴露到一个平整的截面，既适用于SIMS（微米分辨率的元素和同位素）分析，也同样适用于不同尺度和不同类型的微区分析，如显微拉曼（Raman，微米分辨率的化合物和矿物相鉴定），SEM（纳米分辨率的形貌、结构和成分分析），电子探针（EPMA，纳米分辨率的主、微量元素定量分析），纳米二次离子质谱（NanoSIMS，亚微米到纳米分辨率的元素和同位素分析），还能直接用于FIB-SEM的精准微切割，制备微纳米尺寸的“薄片”或“针尖”样品，用于更为精细的同步辐射扫描透射X-射线显微镜（STXM，纳米分辨率的化学成分、元素价态和磁学分析）、透射电镜（TEM，亚纳米到原子分辨率的形貌、结构、成分、矿物相和微磁学分析）和原子探针（APT，原子分辨率的元素和同位素分析）研究。
基于样品挑选和后续分析的共性，研究人员提出针对嫦娥五号月壤以及未来行星返回样品的单颗粒综合分析的“六步走”工作流程图（图1）。
步骤-1：单颗粒样品显微操作，制备成样品阵列，利用μXRF技术快速扫描分析挑选目标颗粒，并按照后续分析测试需要制备成不同类型单颗粒样品（比如，树脂包埋、机械抛光或表面导电处理等）。
步骤-2：目标颗粒样品的3D-XRM/FIB-SEM联合分析，在微纳米尺度上获得样品三维形貌、结构和成分信息。
步骤-3：目标颗粒样品的SEM综合分析，在微纳米尺度上获得样品的表面形貌、结构和化学成分信息。
步骤-4：目标颗粒截面样品的综合微区分析（如SEM、Raman、EPMA、SIMS和NanoSIMS），在微纳米尺度上获得样品截面的形貌、结构、矿物相、化学成分（包括主量、微量元素及其同位素）等信息。
步骤-5：利用先进的FIB-SEM技术，对目标颗粒样品中感兴趣的微区域进行三维重构分析，以及对其进行精准微切割，制备微纳米尺寸的“薄片”或“针尖”样品。
步骤-6：综合利用同步辐射STXM、先进的TEM和APT技术，在纳米到原子水平，对“薄片”或“针尖”样品开展形貌、结构、矿物相、化学成分、元素价态、元素同位素和微磁学等综合分析。
需要指出的是，本研究提出的“六步走”工作流程，并不能涵盖嫦娥五号和未来行星返回样品所需的所有技术，也并不是一成不变和标准程式化的，在实际工作中需要根据样品特性或具体科学目标进行调配和改进。比如，正如本研究所展示，可将步骤-1、步骤-2/步骤-4结合，快速寻找富锆颗粒并精准定位含锆矿物，开展样品的微区同位素年代学和地球化学等研究工作。将步骤-1、步骤-3、步骤-5和步骤-6结合，选定特定类型单颗粒样品，开展太空风化、行星矿物学和微磁学等研究工作。此外，本研究提出的“六步走”工作流程，按照“先无损，后微损”、“先单颗粒，后微纳米尺度，最后原子水平”、“先侧重表面，后开展内部结构”的分析思路，将现有的多种显微学和显微谱学技术，在分析的时间节点上进行了排列组合，可对同一个样品获得不同尺度下多种信息，因而也同样适用于各种地球珍贵样品（如来自地球早期、深部或深海等来之不易、不可重现的微小样品）的综合研究。
本项目研究受科技部重点研发计划（2018YFA0702600）、中科院前沿科学重点研究项目（ZDBS-SSW-JSC007-13）、中科院地质与地球物理所重点部署项目（IGGCAS-202101）和国家自然科学基金项目（41890843，41920104009）资助。