來自火星的中紅外TDLAS技術

       2012年8月6日，好奇號（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，好奇號不僅延續了人類對這顆紅色星球的探索熱情，而且再次引發了人類對火星是否有生命痕跡的疑問和關注。為了探測蓋爾撞擊坑內（Gale）的環境是否曾經能夠支持生命，好奇號配備了當時Most professional和先進的科學儀器，其中包括火星樣本分析儀（SAM）。

圖1. 好奇號在火星夏普山山腳下的自拍，圖片來源于維基百科

       SAM旨在通過探索與生命相關的分子和元素化學，研究火星現在和過去的宜居性。目前地球上已知的所有生物都屬于碳基生物，因此SAM主要通過尋找有機化合物、除碳以外的輕元素的化學態和同位素示蹤劑來研究火星的碳化學。SAM由三套儀器組成，即四極桿質譜儀（QMS）、氣相色譜儀（GC）和可調諧激光光譜儀（注：NASA稱之為TLS，工業界習慣稱TDLAS）。四極桿質譜儀和氣相色譜儀可以在氣-質聯用（GC-MS）的模式下一起工作，對有機化合物進行分離(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，圖片來源于NASA

       圖3顯示的是可調諧激光光譜儀(TDLAS)的光學原理圖和實物照片。從圖中可以看出，TDLAS由3部分構成：含有光源和其他光電器件的前端光學室，樣品吸收池以及探測器室。這三個腔室通過窗片分隔。TDLAS采用雙光學通道，通道1使用3.27 μm的中紅外激光器進行甲烷測量，通道2使用2.78 μm DFB激光器進行水和二氧化碳測量。樣品吸收池采用赫利奧特池(Herriott Cell)，物理長度為20厘米。激光在吸收池兩端的鏡片之間來回多次反射后進入探測器室。2.78μm激光在池內來回反射43次，光程達到8.93米；3.27μm激光在池內來回反射81次，光程達到16.8米。赫利奧特池的使用極大地增加了氣體吸收的光程，使得甲烷測量達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. 可調諧激光光譜儀(TDLAS)，圖片來源于NASA

       2018年6月7日，美國宇航局(NASA)利用TDLAS測量的甲烷濃度數據，確認了火星大氣中的甲烷背景水平存在季節性的周期變化。科學家推測這些甲烷可能來源于地質過程中的化學反應，甚至火星地下的微生物或其他形式的生命，但是到目前為止沒有證據證實這些猜測。2019年6月下旬，TDLAS檢測到了好奇號登陸火星以來的highest甲烷濃度，達到了驚人的21ppb，是甲烷背景濃度的40倍左右！這讓火星大氣中甲烷的來源問題更加撲朔迷離。

圖4. 火星大氣中的甲烷的周期變化，圖片來源于維基百科

好奇號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”將于今年7月中旬（大約40天之后！）發射升空

       作為“好奇號”發現火星甲烷本底異常的續集，新一代火星車“毅力號”將于今年7月中旬（大約40天之后！）發射升空。肩負著人類成為多行星物種(Multi-Planetary Species)夢想的偵查兵，“毅力號”旨在更好地了解火星地質并尋找古代生命的跡象。該任務將收集和存儲一組巖石和土壤樣本，這些樣本可能會在將來的火星任務中被帶回地球。“毅力號”還將測試新技術，以使未來的火星機器人和人類火星探索受益。

“毅力號”的主要目標

•探索一個與以往任務存在地質差異的著陸點

•評估遠古火星的宜居性

•尋找古代生命的跡象，尤其是在我們已知的能在時間長河中保存生命跡象的特殊巖石中

•收集巖石和土壤樣本，這些樣本可以通過未來的火星任務返回地球

•展示和驗證用于未來機器人和人類火星探索的新技術——如火星無人機等

任務時間表

•于2020年7月至2020年8月在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射

•由美國宇航局的ULA Atlas 541火箭提供發射服務

•2021年2月18日在火星上降落，降落點位于一個曾經充滿杰澤羅火山口(Jezero Crater)的古代三角洲湖泊地區

•花至少一個火星年（兩個地球年）探索著陸點周圍區域

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