■新视野 

    本报记者 常丽君

    美国亚利桑那大学月球与行星实验室（LPL）科学家曾在夏威夷火山熔岩区上空放了一只风筝，研究那里的地形结构。最近，这只风筝又被赋予了新任务——研究火星形成的古老秘密。

    这只风筝装备了现成的仪器，如摄像机、GPS、定位传感器等，能从高空扫描地形。研究小组用了并行计算和强大的软件算法，把几万张图像组合成极其详细而准确的3D数字地形模型。

    据研究人员介绍，从他们对火山景观的研究来看，这一项目在范围和数据质量上都是前所未有的，空间分辨率达到每像素约半英寸。他们在得克萨斯州召开的第46届“月球与行星科学大会”上汇报了这些成果。利用从这些地形模型所得的知识，科学家可以进一步解读来自火星表面的照片。这些照片由美国国家航空航天局（NASA）的火星侦查轨道器携带的HiRISE摄像机拍摄。HiRISE作为高分辨率成像科学实验，由亚利桑那大学负责，一直在为人们揭示着火星上前所未见的详细情景。

    从地球推测火星

    “这一想法是通过分析我们能到达的地方的情况，来了解那些我们无法去到的地方。”研究小组负责人克里斯托弗·汉密尔顿说。他在2014年加入了月球与行星实验室，创建了地球模拟研究小组。汉密尔顿研究的是火星表面的火山，以掌握这颗红色行星的热量历史，也就是火星内部进程在其表面的表现。

    “我们能利用地球上的早期地质形态和无植被的表面特征，如夏威夷熔岩流，作为地球上的模拟物，以此深入理解其他行星的形成过程。”他补充说，“并非只是说出‘这种特征看起来像某某’，而是努力开发出鉴别方法，帮助理解形成特殊形态特征的确切过程。”

    汉密尔顿小组选择了夏威夷岛上的基拉韦厄火山作研究区，这里是个只有些许早期熔岩流的“化学沙漠”。在1974年12月底新年之夜，这里曾有过一次短暂的火山喷发。现如今，人们已经可以步行至此参观。

    当研究人员把当时的火山喷发地形和HiRISE摄像机拍摄的火星表面对比时，发现二者惊人的相似。

    “我们认为，这表现了火星上的大熔岩流是怎样形成的，而不是表面所看到的样子。”汉密尔顿说，火星上许多地形被认为是沟渠，过去解释为是由水流侵蚀所致，但这更可能是火山过程造成的。他把这一过程描述为一个“充满与溢出”的岩浆定位过程，当岩池里的岩浆积累多了，就溢出坝口，形成灾难性的岩浆洪流。

    是水流还是岩浆

    “凭我们对水流的直觉，很容易下结论，按同样方式解释火星上的类似特征是很吸引人的。”汉密尔顿说，“但事实上，这些地形是由岩浆造成的，而不是水。”

    汉密尔顿指着1974年12月那次岩浆爆发的地形模型说：“我们看到在某些地方，表面破碎成板块，粗看之下就像水流侵蚀形成的通道。而事实上它根本不是侵蚀形成的，而是熔岩流中岩浆复杂的运动模式形成的。”

    汉密尔顿解释说，老熔岩冷却沉积形成的峭壁就像一个大浴缸，首先液态岩浆逐渐充满了浴缸，当贮存的熔岩池破裂，岩浆汹涌前进使表面已冷却的板块破裂，新鲜岩浆就从下面喷涌而出。这些板块随岩流漂浮前进，被弄得皱皱巴巴。

    数字地形模型甚至还揭示了，当岩浆充满岩池时，会形成一种“浴缸环”。

    “驱使我们思考的问题是，怎样才能把这些数据组合起来，用它们分析火星景观，确定其地形究竟是火山还是水流造成的，并由此推理出一个进化的故事呢？”汉密尔顿说，“如果你看不到把材料组合在一起的方法，比如用小片瓷砖组成马赛克图案，单一的表面纹理不能告诉你任何事。纹理之间的关系会告诉你到哪里去，寻找什么。”

    风筝观测系统

    月球与行星实验室博士后研究员斯蒂芬·施密特是研究沙丘演化的专家，他设计并构建了夏威夷项目中的“地形绘图风筝系统”。为获取图像，他在一个三角翼风筝上装了一个自动摄像机，随风放飞，并能熟练地牵线操纵它。风筝翼宽11英尺，他花了几天时间徒步走过参差不齐的熔岩地形，让风筝覆盖整个区域，同时小心观察，以避免火山口飘出来的有毒烟雾。

    “风筝在空中飞得相当稳，风翼一端到另一端只有5度到10度左右。这种小动作给了我们足够的视角差，让软件能计算三维的地形模型。”施密特解释说，这种技术称为多视角立体摄影测量，生成的图像就像从飞机上拍摄的航拍照片，但它们并不是真正的照片，而是一种投射到数字地形模型中的马赛克图像。

    “风筝每两秒钟拍一张图像，对一个位置生成了数以万计的照片。”施密特说，“软件随后除去了所有的扭曲变形，把这些图像拼合在一起，生成了一张虚拟地形图。这是其他方法无法做到的。”

    这一过程称为正射矫正，通过大量的计算，耗时几个星期来生成一个地形模型，最终模型的分辨率足够高，能清晰地显出覆盖在熔岩上面的沙子上的脚印。

    “我们的方法显示了怎样把地面观察和空中拍摄结合在一起，这能帮我们揭开地球和火星上的地质历史。”汉密尔顿说。