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沙拉德雷達

沙拉德雷達（SHARAD）是「火星淺層雷達測深儀」英文縮寫的簡稱，它是一台搭載在火星勘測軌道飛行器上的地下探測雷達，作為歐洲太空總署「火星快車號」軌道飛行器上瑪西斯雷達的補充[1]，提供了一種低穿透（約100米）高解析度（15米）的探測能力。

「火星勘測軌道飛行器」上的沙拉德雷達運行示意圖。

沙拉德雷達由義大利航天局負責開發，並在美國宇航局與義大利航天局簽署的協議框架內交由噴氣推進實驗室應用於「火星勘測軌道飛行器」。協議規定義大利/美國聯合團隊共同使用這些雷達數據。羅馬大學信息通訊系負責雷達操作，而義大利泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（以前的阿萊尼亞航天公司）承擔儀器的設計和建造。沙拉德運營中心位於泰雷茲阿萊尼亞宇航公司在羅馬郊區的設施內，沙拉德雷達的日常運行由信息通訊系進行管理。

科學目標

 
「火星勘測軌道飛行器」上沙拉德淺層探地雷達測繪的北極層狀沉積物雷達圖。

沙拉德雷達旨在繪製火星表面以下一公里地圖，提供具有高垂直解析度（15米）的地下散射層圖像，以定位水/冰/沉積物，並繪製次表面層的垂直結構。

性能特點

沙拉德雷達在20赫茲載波頻率上工作，傳輸帶寬為10赫茲的「啁啾」信號，脈衝寬度85微秒，標準脈衝重複頻率700.28赫茲，發射功率峰值為10瓦，天線是一根10米長的偶極子。在地面生成合成孔徑，以減少相同地下回波範圍內，偏離天底散射體產生的不必要表面回波。

沙拉德雷達的結構組成分為兩部分：

  • 沙拉德電子設備箱（SEB），包含所有電子設備（雷達控制器、發射器、接收器和天線阻抗匹配網絡），安裝在作為內部電子模塊散熱器的金屬框架內（「火星勘測軌道飛行器」是一艘開放式框架太空飛行器，沙拉德雷達擁有一套自動熱控制系統）；
  • 天線，由兩根光纖管制成，摺疊存放在支架中（由隔熱材料覆蓋，以保護免受空氣制動引起的加熱）。一旦展開，天線將伸展到位，這僅歸功於該材料的彈性特性，而非導電管內的金屬線才是天線真正的輻射元件。該天線由位於加利福尼亞州卡平特里亞的諾斯羅普·格魯曼航太公司設計和製造。

該雷達運行在700.28赫茲的固定重複脈衝頻率上，以秩1模式（即在發射第二個脈衝之後）接收回波，還有兩種備用（較高和較低）脈衝重複頻率可用於處理軌道上的擴展任務。根據已掌握的表面地形情況，以開環跟蹤系統作為主要手段來定位135微秒接收窗口的回波位置（閉環跟蹤系統作為備份）。

該機載設備信號處理量最小，通過對接所收回波的一系列邏輯推測（可在1到32的二次方之間進行編程），使用（8、6、4）位數據編程以降低生成的數據率。

啁啾信號由數位訊號發生器直接在20赫茲載波上生成，並饋送至功率放大器，隨後是發射/接收切換和阻抗匹配

接收機直接對射頻進行放大、濾波和數字增益處理，並採用「欠採樣」（undersampling）技術以26.6赫茲的速率數位化，一台單獨的數位訊號處理器提供專門的控制和處理功能。

該設備由以下單位分工製造：

歷史

雖然早在2001年就開始研究，但直到2003年2月才正式宣布進入全面開發。2004年3月，該設備的工程模型（EM）在丹佛（太空飛行器生產地）交付給洛克希德·馬丁航天系統，併集成到軌道器試驗台中。2004年9月，原型飛行模塊（PFM）交付並安裝到丹佛的「火星勘測軌道飛行器」上。2005年8月12日，「火星勘測軌道飛行器」搭載在宇宙神5型-半人馬運載火箭上，從卡納維拉爾角空軍基地發射升空，並於2006年3月10日抵達火星軌道。進入運行軌道所需的大氣制動階段一直持續到2006年8月30日，2006年9月17日，沙拉德雷達天線展開。9月19日成功進行了雷達的首次飛行試驗，自2006年11月開始雷達進入正常運作。

發現

更多資訊：扇形地形

沙拉德雷達穿透了火星北極的層狀冰沉積物，揭示了一層最大偏轉度相對較小（約100米）的地下岩層，表明堅硬的岩石圈厚度超過300公里[2]。雷達探測的結果與中緯度地區大量的水冰沉積物相一致，支持了岩屑覆蓋的冰川假說[3]。

2016年11月22日，美國宇航局報告說，使用沙拉德雷達在火星烏托邦平原地區發現了大量的地下冰。據估計，檢測到的水量相當於一座蘇必利爾湖[4][5][6]。

火星 - 烏托邦平原
扇形地形導致發現了大量的地下冰
足以填滿蘇必利爾湖（2016年11月22日）[4][5][6]
 
火星地形
 
火星地形

該地區水冰體積的計算是基於火星勘測軌道飛行器上沙拉德探地雷達的測量結果。

 
沙拉德雷達通過測量表面和更深處底層的雷達回波發現了冰，而底面的深度是從高解析度成像科學設備圖像中的表面裂隙所發現的。

當結合沙拉德雷達數據構建出一座3D模型時，揭示了北極冠蓋中埋藏的隕石坑，它們可用於確定某些地層的日期[7]。

2011年4月發表的一項研究表明，南極附近分布有大量冰凍的二氧化碳沉積。當火星傾斜度增加時，大部分的沉積物可能會進入火星大氣層。當這種情況發生時，大氣層變厚，風力增強，更多的地表區域可以支持液態水的存在[8]。經過更多的分析，人們發現，如果這些沉積物全部變成氣體，火星上的大氣壓就會加倍增[9]。這些沉積物共有三層；每一層都覆蓋著一層30米厚的水冰，可阻止二氧化碳升華到大氣中，升華是固態物質直接進入氣態。這三層覆蓋層都與氣候變化造成大氣層消退的年代有關[10]。

火星交互地圖

 阿刻戎塹溝群阿西達利亞平原阿爾巴山亞馬遜平原阿俄尼亞高地阿拉伯高地阿耳卡狄亞平原阿耳古瑞高原阿耳古瑞平原克律塞平原克拉里塔斯槽溝塞東尼亞區桌山代達利亞高原埃律西昂山埃律西昂平原蓋爾撞擊坑哈德里亞卡火山口希臘山脈希臘平原赫斯珀利亞高原霍頓撞擊坑伊卡利亞高原伊希斯平原耶澤羅撞擊坑羅蒙諾索夫撞擊坑盧庫斯高原呂科斯溝脊地李奧撞擊坑盧娜高原馬萊阿高原馬拉爾迪隕擊坑瑪萊奧提斯塹溝群Mareotis Tempe珍珠高地米氏隕擊坑米蘭科維奇撞擊坑內彭西斯桌山群涅瑞達山脈尼羅瑟提斯桌山群諾亞高地奧林波斯槽溝群奧林帕斯山南極高原普羅米修高地普羅敦尼勒斯桌山群塞壬高地西緒福斯高原太陽高原敘利亞高原坦塔羅斯槽溝群滕比高地辛梅利亞高地示巴高地塞壬高地塔爾西斯山群特拉克圖斯坑鏈第勒納高地尤利西斯山烏拉紐斯火山口烏托邦平原水手谷北方大平原克珊忒高地
  火星全球地形的交互式圖像地圖。將懸停在圖像上可查看 60 多個著名地理特徵的名稱，單擊可連結到它們。圖底顏色表示相對高度，根據來自美國宇航局火星全球探勘者號上火星軌道器雷射高度計的數據。白色和棕色表示海拔最高（+12 至 +8 公里）；其次是粉紅和紅色（+8 至 +3 公里）；黃色為 0 公里；綠色和藍色是較低的高度（低至 -8 公里）。軸線是經緯度，極地已備註。


另請查看

  • 月球雷達測深器（LRS），是一台繞地球月球軌道運行的低頻雷達測深儀儀和高度計。
  • 瑪西斯雷達，火星地下和電離層探測高新雷達（MARSIS），是一台環繞火星運行的低頻雷達測深儀和高度計。
  • 木星冰月探測雷達，冰月探測雷達（RIME）是一種軌道低頻雷達測深儀和木星冰衛星高度計。
  • 天問一號，天文一號任務計劃分別在火星軌道器和地面探測車上各安裝一台探地雷達。
  • WISDOM (radar)，火星水冰和地下沉積物觀測雷達（WISTEM）是安裝在羅莎琳德·富蘭克林號漫遊車上的一台探地雷達。

參考資料

  1. ^ R. Orosei et al., "Science results from the MARSIS and SHARAD subsurface sounding radars on Mars and their relevance to radar sounding of icy moons in the Jovian system" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, EPSC2010-726, European Planetary Science Congress 2010, Vol. 5 (accessed Nov. 17 2014)
  2. ^ Phillips, R. J.; Zuber, M. T.; Smrekar, S. E.; Mellon, M. T.; Head, J. W.; Tanaka, K. L.; Putzig, N. E.; Milkovich, S. M.; Campbell, B. A.; Plaut, J. J.; Safaeinili, A.; Seu, R.; Biccari, D.; Carter, L. M.; Picardi, G.; Orosei, R.; Mohit, P. S.; Heggy, E.; Zurek, R. W.; Egan, A. F.; Giacomoni, E.; Russo, F.; Cutigni, M.; Pettinelli, E.; Holt, J. W.; Leuschen, C. J.; Marinangeli, L. Mars north polar deposits: stratigraphy, age, and geodynamical response. Science. 2008, 320 (5880): 1182–1185. Bibcode:2008Sci...320.1182P. PMID 18483402. S2CID 6670376. doi:10.1126/science.1157546. 
  3. ^ Holt, J. W.; Safaeinili, A.; Plaut, J. J.; Head, J. W.; Phillips, R. J.; Seu, R.; Kempf, S. D.; Choudhary, P.; Young, D. A.; Putzig, N. E.; Biccari, D.; Gim, Y. Radar Sounding Evidence for Buried Glaciers in the Southern Mid-Latitudes of Mars. Science. 2008, 322 (5905): 1235–1238. Bibcode:2008Sci...322.1235H. PMID 19023078. S2CID 36614186. doi:10.1126/science.1164246. 
  4. ^ 4.0 4.1 Staff. Scalloped Terrain Led to Finding of Buried Ice on Mars. NASA. November 22, 2016 [November 23, 2016]. （原始內容存檔於2017-02-12）. 
  5. ^ 5.0 5.1 Lake of frozen water the size of New Mexico found on Mars – NASA. The Register. November 22, 2016 [November 23, 2016]. （原始內容存檔於2018-12-26）. 
  6. ^ 6.0 6.1 Mars Ice Deposit Holds as Much Water as Lake Superior. NASA. November 22, 2016 [November 23, 2016]. （原始內容存檔於2018-12-26）. 
  7. ^ Foss, F., et al. 2017. 3D imaging of Mars'polar ice caps using orbital radar data. The Leading Edge: 36, 43-57.
  8. ^ NASA Spacecraft Reveals Dramatic Changes in Mars' Atmosphere. [失效連結]
  9. ^ Phillips, R., et al. 2011. Massive CO2 ice deposits sequestered in the south polar layered deposits of Mars. Science: 332, 638-841
  10. ^ Bierson, C., et al. 2016. Stratigraphy and evolution of the buried CO2 depositin the Martian south polar cap. Geophysical Research Letters: 43, 4172-4179

延伸閱讀

外部連結

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