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美国宇航局众包“观云项目”,揭晓火星大气谜团!

作者:转载     发布时间:2022-8-9 点击数:200

 

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美国宇航局“观云项目”要求民众在火星勘测轨道器采集的火星大气层图像中寻找类似的拱形特征,从而证明云层的存在。

  据报道,2020年底,行星科学家马雷克·斯利夫斯基(Marek Slipski)每天凝视计算机屏幕很长时间,他花费大量时间仔细研究火星大气层图像:放大、调整色彩对比度、增强图像亮度、调换图像区域颜色。据了解,斯利夫斯基是美国宇航局喷气推进实验室(JPL)一位资深博士后研究员,近年来他致力于搜寻火星云层特征,尽管他编写了一个算法用于完成火星云层勘测任务,但结果却喜忧参半,因此他只能使用肉眼观察图像数据。

  令人意想不到的是,很快斯利夫斯基就收获颇丰,他发现每个火星云群的高度和亮度均有差异,斯科夫斯基说:“我观察了大约一个星期,当时的反应是:好吧,这得多花点时间,回想当时的情景,如果有人帮忙就好了!”

  巧合的是,美国宇航局刚呼吁民众踊跃参加“公民科学种子基金项目”,这将给太空爱好者们一个参与顶尖研究的机会,斯科夫斯基和阿明·克雷恩博赫(Armin Kleinbohl)立即开始起草一份提案——勘测识别火星大气中间云层。云层漂浮在距离火星表面50-80公里高处,从火星气候探测器的观测数据中可以看到,环绕火星的勘测仪器能测量火星云层温度、冰和尘埃含量。

  经过数周的贝塔测试,6月底名为“观测火星云层”的项目在“宇宙动物园”平台上启动,该平台上有数百个民众项目,大约有2600位志愿者加入其中,他们在论坛上自我介绍,并钻研分析气候探测仪绘制的不同高度、位置和一天中不同时间段的火星大气图像。志愿者仅需要一台电脑和互联网接入就可以投稿,因为数据是通过浏览器内嵌的可视化工具进行查看,该工具还附带一个快速上手的可选教程。

1654-fe63250b997ea2623422506c12476ff1.png  6月底名为“观测火星云层”的项目在“宇宙动物园”平台上启动,该平台上有数百个民众项目,大约有2600位志愿者加入其中,他们在论坛上自我介绍,并钻研分析气候探测仪绘制的不同高度、位置和一天中不同时间段的火星大气图像。

  组成“观云小组”的5位研究人员希望该项工作能够揭示火星全球天气模式,以及为什么火星大气层比地球大气层更稀薄,甚至帮助我们理解曾经存在于火星表面的液态水是如何逃逸到太空。“观云小组”副首席研究员克雷恩博赫说:“我们通过‘公民科学种子基金项目’获得的气候学数据将比迄今所有火星大气勘测数据更加全面。”

  克雷恩博赫对火星云层的形成过程很感兴趣,火星云层主要是由二氧化碳(干冰)或者水冰组成,含二氧化碳成分较高的云层将有助于揭示火星大气结构和动力学,以及导致极低温的条件,因为固态二氧化碳的凝结温度通常比火星大气的凝结温度更低;而含水冰成分较高的云层可能会告诉我们水蒸汽的存在,以及可能负责将水蒸汽运输到高海拔区域的过程。

  火星气候探测仪是火星勘测轨道飞行器装载的6个仪器之一,该飞行器自2006年以来一直环绕火星运行,它配备了9个频道,每个频道都调谐到不同波长可见光或得红外光,并绘制出火星表面至80公里高空范围内的热辐射图。虽然该气候探测仪不是专门设计用于研究大气活动,但是执行任务的科学家们立即注意到热辐射图中突出拱形特征暗示着火星云层的存在。他们发现这些拱形特征是由于航天器沿着火星轨道运行时,云层和红外传感器之间角度发生变化导致的,当探测仪靠近云层时,云层似乎更接近地面(这类似于我们观察地球自转时,太阳在天空中以一个明显的拱形结构升起和落下)。因此,拱形特征的最高点代表了火星云层距离表面的真实最大高度。

  在这项“观云项目”中,公民科学家使用一种点击工具来识别在不同高度和时间的气候探测仪热辐射图中找到的任何拱形峰值,每张图像显示在4个不同帧中(原始帧和其他三个不同对比度和亮度的帧)。同时,他们还可以改变颜色来发现颜色特别暗淡的拱形峰值,或许这是人为操作失误所致,毕竟不同用户对相同图像标记完成之前,他们的认知度存在一定差异性。

  据悉,斯利夫斯基和克雷恩博赫在“观云网站(Cloudspotting)”上传大约4个半月的火星大气图像,预计人们需要几个月的时间来解读,克雷恩博赫说:“观云项目对于深入分析火星大气层具有重要意义,远超出我们之前的预期,在短短几周内,公民科学家仔细检查了6000多张火星图像(超过12万种图像分类),平均每张照片中可发现3-4朵云。”

  事实上,动员民众分析海量数据集并非什么新鲜事,之前科学家曾使用“宇宙动物园”平台对太空照片进行分类,实现地球降雨数字化记录等,这是一种有利的研究方法,它涉及到寻找计算机系统无法识别、且过于隐蔽和复杂的天文学特征。美国哈弗福德学院天文学家凯伦·马斯特斯(Karen Masters)是“宇宙动物园”项目的首席研究员,她说:“人类已进化了几千年时间,在模式识别和过滤无关信息方面非常擅长,人们的识别能力超越计算机还是相对容易的,但是与民众合作也存在着一定挑战性,即如何让大家对该项目感兴趣,并保持热度。”

  据悉,为了让更多民众参与“观云项目”,研究团队在论坛上保持高度活跃性:和参与者一起解决问题,对民众发现的任何拱形特征进行回应和分析,并延伸展开关于火星科学的讨论,例如:一位项目参与者提问:如何识别火星大气拱形特征,以及如何帮助未来载人飞船在火星大气层中航行?7月15日,斯利夫斯基召开了一个网络研讨会,让民众科学家有机会与研究团队见面,研讨会上他明确表示,探测器飞进含水冰较高的火星大气层是不可以的!

  观云研究小组并不指望参与者能够获取来自气候探测器的所有数据,这些数据是在8个火星年中采集的(大约相当于16个地球年),一旦分析了具有代表性的几年勘测数据,斯利夫斯基希望能使用云特征来匹配自己的算法,从而获得更可靠的结果。最终,这将提供一个最全面、长期的勘测数据库,科学家可以利用数据库相关资料更深入地洞察火星大气层远古时期和当前的状况。

  波士顿大学行星科学家马吉德·马亚辛(Majd Mayyasi)虽未参与该项目,但他对于火星探索十分感兴趣,他说:“跨度16个地球年的火星勘测数据并非小数据,通过民众深入观察分析,相信未来不久会揭晓火星大气中间层成分,以及低大气层和高大气层中水和云层的特性,揭示它们是如何结合在一起的。”

  马亚辛曾研究水如何从火星电离层逃逸至太空,目前他指出,水如何从表面传输至更高海拔位置的过程中,大气云层发挥着重要作用。


  斯利夫斯基说:“这是火星大气层从远古温暖潮湿的星球演变成现今寒冷干燥环境的一个非常重要的环节,在民众科学家的帮助下,‘观云团队’希望在2023年初发布初步结果,一旦整个数据库被分析公布,他们将扩展此项工作,进而更全面描述整个星球上云层数量和气候模式,并且详细了解灰尘、水蒸汽和二氧化碳是如何在火星大气层中变迁移动的。”

  然而,当前仍有大量数据需要深入分析,据悉,两周前观云团队发布了第二批火星图像,大约12000张,相当于8个地球月的大气层勘测数据,供民众科学家继续分类。

  预计公民科学项目在未来两年内仍保持一定的活跃度,火星气候探测器在2022年底(或许更长时间,如果美国宇航局决定延长该探测器勘测任务)将持续发送火星大气层勘测图像,克雷恩博赫说:“我希望能够积累更多火星年的勘测数据,希望一直到十年结束,从而建立一个确定、详细的火星大气气候学理论。”


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